Efectele razelor X asupra oamenilor. Raze X Raze X și proprietățile sale

În 1895, fizicianul german Roentgen, în timp ce efectua experimente privind trecerea curentului între doi electrozi în vid, a descoperit că un ecran acoperit cu o substanță luminiscentă (sare de bariu) strălucește, deși tubul de descărcare este închis cu un ecran de carton negru - așa s-a descoperit radiația care pătrunde prin bariere opace, numite raze X cu raze X. S-a constatat că razele X, invizibile pentru om, sunt absorbite în obiectele opace, cu cât este mai puternică, cu atât numărul atomic (densitatea) barierei este mai mare, astfel încât razele X trec cu ușurință prin țesuturile moi ale corpului uman, dar sunt reținute. de oasele scheletului. Au fost proiectate surse de raze X puternice, care au făcut posibilă strălucirea prin piesele metalice și găsirea defectelor interne ale acestora.

Fizicianul german Laue a sugerat că razele X sunt aceleași radiații electromagnetice ca razele de lumină vizibilă, dar cu o lungime de undă mai scurtă și toate legile opticii le sunt aplicabile, inclusiv difracția este posibilă. În optica luminii vizibile, difracția la nivel elementar poate fi reprezentată ca reflexia luminii dintr-un sistem de șanțuri - o rețea de difracție, care are loc numai la anumite unghiuri, în timp ce unghiul de reflexie al razelor este legat de unghiul de incidență, distanța dintre șanțurile rețelei de difracție și lungimea de undă a radiației incidente. Pentru difracție, este necesar ca distanța dintre curse să fie aproximativ egală cu lungimea de undă a luminii incidente.

Laue a sugerat că razele X au o lungime de undă apropiată de distanța dintre atomii individuali din cristale, de exemplu. atomii dintr-un cristal creează o rețea de difracție pentru raze X. Razele X îndreptate către suprafața cristalului au fost reflectate pe placa fotografică, așa cum a prezis teorie.

Orice modificare a poziției atomilor afectează modelul de difracție și, studiind difracția razelor X, se poate afla aranjamentul atomilor într-un cristal și schimbarea acestui aranjament sub orice influențe fizice, chimice și mecanice asupra cristalului. .

Acum, analiza cu raze X este folosită în multe domenii ale științei și tehnologiei, cu ajutorul ei au învățat aranjarea atomilor în materialele existente și au creat noi materiale cu o structură și proprietăți date. Progresele recente în acest domeniu (nanomateriale, metale amorfe, materiale compozite) creează un domeniu de activitate pentru următoarele generații științifice.

Apariția și proprietățile razelor X

Sursa de raze X este un tub de raze X, care are doi electrozi - un catod și un anod. Când catodul este încălzit, are loc emisia de electroni, electronii emiși de catod sunt accelerați de câmpul electric și lovesc suprafața anodului. Un tub cu raze X se distinge de o lampă radio convențională (diodă) în principal printr-o tensiune de accelerare mai mare (mai mult de 1 kV).

Când un electron zboară din catod, câmpul electric îl face să zboare spre anod, în timp ce viteza lui crește continuu, electronul poartă un câmp magnetic, a cărui intensitate crește odată cu viteza electronului. Ajungând la suprafața anodului, electronul este decelerat brusc și apare un impuls electromagnetic cu lungimi de undă într-un anumit interval (bremsstrahlung). Distribuția intensității radiației pe lungimi de undă depinde de materialul anodului tubului cu raze X și de tensiunea aplicată, în timp ce pe partea undelor scurte această curbă începe cu o anumită lungime de undă minimă de prag, care depinde de tensiunea aplicată. Setul de raze cu toate lungimile de undă posibile formează un spectru continuu, iar lungimea de undă corespunzătoare intensității maxime este de 1,5 ori lungimea de undă minimă.

Odată cu creșterea tensiunii, spectrul de raze X se schimbă dramatic datorită interacțiunii atomilor cu electronii de înaltă energie și a cuantelor de raze X primare. Un atom conține învelișuri interne de electroni (niveluri de energie), al căror număr depinde de numărul atomic (notat cu literele K, L, M etc.) Electronii și razele X primare scot electronii de la un nivel de energie la altul. . Apare o stare metastabilă și este necesar un salt de electroni în direcția opusă pentru trecerea la o stare stabilă. Acest salt este însoțit de eliberarea unui cuantum de energie și apariția razelor X. Spre deosebire de razele X cu spectru continuu, această radiație are o gamă de lungimi de undă foarte îngustă și o intensitate mare (radiație caracteristică) ( cm. orez.). Numărul de atomi care determină intensitatea radiatii caracteristice, este foarte mare, de exemplu, pentru un tub de raze X cu un anod de cupru la o tensiune de 1 kV, un curent de 15 mA, 10 14 -10 15 atomi dau radiație caracteristică timp de 1 s. Această valoare este calculată ca raport dintre puterea totală a razelor X și energia cuantumului de raze X din carcasa K (seria K de radiații caracteristice de raze X). Puterea totală a radiației cu raze X în acest caz este de doar 0,1% din puterea consumată, restul se pierde, în principal din cauza trecerii la căldură.

Datorită intensității sale mari și a gamei de lungimi de undă înguste, radiația caracteristică cu raze X este principalul tip de radiație utilizat în cercetarea științifică și controlul procesului. Concomitent cu fasciculele din seria K se generează fascicule din seria L și M, care au lungimi de undă mult mai mari, dar aplicarea lor este limitată. Seria K are două componente cu lungimi de undă apropiate a și b, în ​​timp ce intensitatea componentei b este de 5 ori mai mică decât a. La rândul său, componenta a este caracterizată de două lungimi de undă foarte apropiate, intensitatea uneia fiind de 2 ori mai mare decât a celeilalte. Pentru a obține radiații cu o singură lungime de undă (radiație monocromatică), au fost dezvoltate metode speciale care folosesc dependența absorbției și difracției razelor X de lungimea de undă. O creștere a numărului atomic al unui element este asociată cu o schimbare a caracteristicilor învelișurilor de electroni și, cu cât numărul atomic al materialului anodic al tubului cu raze X este mai mare, cu atât lungimea de undă din seria K este mai scurtă. Cele mai utilizate tuburi cu anozi din elemente cu numere atomice de la 24 la 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) și lungimi de undă de la 2,29 la 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Pe lângă tubul de raze X, izotopii radioactivi pot fi surse de raze X, unii pot emite direct raze X, alții emit electroni și particule a care generează raze X atunci când bombardează ținte metalice. Intensitatea razelor X a surselor radioactive este de obicei mult mai mică decât cea a unui tub cu raze X (cu excepția cobaltului radioactiv, care este utilizat în detectarea defectelor și dă radiații cu o lungime de undă foarte mică - radiații g), acestea sunt de dimensiuni mici și nu necesită energie electrică. Razele X sincrotron sunt produse în acceleratoare de electroni, lungimea de undă a acestei radiații este mult mai mare decât cea obținută în tuburile de raze X (raze X moi), intensitatea acesteia este cu câteva ordine de mărime mai mare decât intensitatea tuburilor de raze X. Există și surse naturale de raze X. S-au găsit impurități radioactive în multe minerale, iar razele X de la obiecte spațiale, inclusiv stele, au fost înregistrate.

Interacțiunea razelor X cu cristalele

În studiul cu raze X al materialelor cu structură cristalină sunt analizate modelele de interferență rezultate din împrăștierea razelor X de către electronii aparținând atomilor rețelei cristaline. Atomii sunt considerați imobili, vibrațiile lor termice nu sunt luate în considerare și toți electronii aceluiași atom sunt considerați concentrați într-un punct - un nod al rețelei cristaline.

Pentru a deriva ecuațiile de bază ale difracției de raze X într-un cristal, se ia în considerare interferența razelor împrăștiate de atomii aflați de-a lungul unei linii drepte în rețeaua cristalină. O undă plană de radiație de raze X monocromatice cade asupra acestor atomi sub un unghi al cărui cosinus este egal cu 0 . Legile interferenței razelor împrăștiate de atomi sunt asemănătoare cu cele existente pentru un rețele de difracție care împrăștie radiația luminoasă în intervalul de lungimi de undă vizibile. Pentru ca amplitudinile tuturor vibratiilor sa se adune la o distanta mare de seria atomica, este necesar si suficient ca diferenta de cale a razelor provenite de la fiecare pereche de atomi vecini sa contina un numar intreg de lungimi de unda. Când distanța dintre atomi dar această condiție arată astfel:

dar(A – a0) = h eu

unde a este cosinusul unghiului dintre seria atomică și fasciculul deviat, h-întreg. În toate direcțiile care nu satisfac această ecuație, razele nu se propagă. Astfel, fasciculele împrăștiate formează un sistem de conuri coaxiale, a cărui axă comună este rândul atomic. Urmele de conuri pe un plan paralel cu rândul atomic sunt hiperbole, iar pe un plan perpendicular pe rând, cercuri.

Când razele cad la un unghi constant, radiația policromatică (albă) se descompune într-un spectru de raze deviate la unghiuri fixe. Astfel, seria atomică este un spectrograf pentru raze X.

Generalizarea la o rețea atomică bidimensională (plată) și apoi la o rețea cristalină volumetrică (spațială) tridimensională oferă încă două ecuații similare, care includ unghiurile de incidență și reflectare a razelor X și distanțele dintre atomi în trei. directii. Aceste ecuații sunt numite ecuații Laue și stau la baza analizei de difracție de raze X.

Amplitudinile razelor reflectate din planurile atomice paralele se adună, iar din moment ce numărul de atomi este foarte mare, radiația reflectată poate fi fixată experimental. Condiția de reflexie este descrisă de ecuația Wulff-Bragg2d sinq = nl, unde d este distanța dintre planurile atomice adiacente, q este unghiul de privire dintre direcția fasciculului incident și aceste plane din cristal, l este razele X lungime de undă, iar n este un număr întreg numit ordinea reflexiei. Unghiul q este unghiul de incidență față de planurile atomice, care nu coincid neapărat în direcția cu suprafața probei studiate.

Au fost dezvoltate mai multe metode de analiză prin difracție cu raze X, folosind atât radiația cu spectru continuu, cât și radiația monocromatică. În acest caz, obiectul studiat poate fi staționar sau în rotație, poate consta dintr-un cristal (monocristal) sau mai multe (policristal), radiația difractată poate fi înregistrată folosind un film de raze X plat sau cilindric sau un detector de raze X în mișcare. în jurul circumferinței însă, în toate cazurile, în timpul experimentului și interpretării rezultatelor, se folosește ecuația Wulf-Bragg.

Analiza cu raze X în știință și tehnologie

Odată cu descoperirea difracției de raze X, cercetătorii au la dispoziție o metodă care le permite să studieze dispunerea atomilor individuali și modificările acestui aranjament sub influențe externe, fără microscop.

Principala aplicație a razelor X în știința fundamentală este analiza structurală, adică. stabilirea aranjamentului spațial al atomilor individuali într-un cristal. Pentru a face acest lucru, se cultivă monocristale și se efectuează analize cu raze X, studiind atât locația, cât și intensitatea reflexiilor. Acum au fost determinate nu numai structurile metalelor, ci și substanțele organice complexe, în care celulele elementare conțin mii de atomi.

În mineralogie, structurile a mii de minerale au fost determinate prin analiză cu raze X și au fost create metode exprese de analiză a materiilor prime minerale.

Metalele au o structură cristalină relativ simplă, iar metoda cu raze X face posibilă studierea modificărilor acesteia în timpul diferitelor tratamente tehnologice și crearea bazelor fizice ale noilor tehnologii.

Compoziția de fază a aliajelor este determinată de aranjarea liniilor pe modele cu raze X, numărul, dimensiunea și forma cristalelor sunt determinate de lățimea lor, orientarea cristalelor (textura) este determinată de distribuția intensității în conul de difracție.

Aceste tehnici sunt folosite pentru a studia procesele din timpul deformării plastice, inclusiv zdrobirea cristalelor, apariția tensiunilor interne și a imperfecțiunilor structurii cristaline (dislocații). Când materialele deformate sunt încălzite, se studiază reducerea tensiunilor și creșterea cristalelor (recristalizare).

Când analiza cu raze X a aliajelor determină compoziția și concentrația soluțiilor solide. Când apare o soluție solidă, distanțele interatomice și, în consecință, distanțele dintre planurile atomice se modifică. Aceste modificări sunt mici, prin urmare, au fost dezvoltate metode speciale de precizie pentru măsurarea perioadelor rețelei cristaline cu o precizie de două ordine de mărime mai mare decât acuratețea măsurării cu metodele convenționale cu raze X. Combinația de măsurători de precizie a perioadelor rețelei cristaline și analiza de fază face posibilă trasarea limitelor regiunilor de fază pe diagrama de stare. Metoda cu raze X poate detecta și stări intermediare între soluțiile solide și compușii chimici - soluții solide ordonate în care atomii de impurități nu sunt aranjați aleatoriu, ca în soluțiile solide și, în același timp, nu cu o ordine tridimensională, ca în compuși chimici. Există linii suplimentare pe modelele de raze X ale soluțiilor solide ordonate; interpretarea modelelor de raze X arată că atomii de impurități ocupă anumite locuri în rețeaua cristalină, de exemplu, la vârfurile unui cub.

În timpul stingerii unui aliaj care nu suferă transformări de fază, poate apărea o soluție solidă suprasaturată, iar la încălzirea ulterioară sau chiar menținerea la temperatura camerei, soluția solidă se descompune cu eliberarea de particule dintr-un compus chimic. Acesta este efectul îmbătrânirii și apare pe radiografii ca o modificare a poziției și lățimii liniilor. Studiul îmbătrânirii este deosebit de important pentru aliajele neferoase, de exemplu, îmbătrânirea transformă un aliaj de aluminiu moale, întărit într-un material structural durabil, duraluminiu.

Studiile cu raze X ale tratamentului termic al oțelului sunt de cea mai mare importanță tehnologică. În timpul întăririi (răcirii rapide) a oțelului, are loc o tranziție de fază austenită-martensită fără difuzie, care duce la o schimbare a structurii de la cubic la tetragonal, adică. celula unitară ia forma unei prisme dreptunghiulare. Pe radiografii, aceasta apare ca o extindere a liniilor și separarea unor linii în două. Motivele acestui efect nu sunt doar o modificare a structurii cristaline, ci și apariția unor tensiuni interne mari din cauza dezechilibrului termodinamic al structurii martensitice și a răcirii rapide. În timpul călirii (încălzirea oțelului întărit), liniile de pe modelele de raze X se îngustează, acest lucru se datorează revenirii la structura de echilibru.

În ultimii ani, studiile cu raze X ale prelucrării materialelor cu fluxuri de energie concentrată (raze laser, unde de șoc, neutroni și impulsuri de electroni) au căpătat o mare importanță; au necesitat noi tehnici și au produs noi efecte de raze X. De exemplu, sub acțiunea fasciculelor laser asupra metalelor, încălzirea și răcirea au loc atât de repede încât în ​​metal, atunci când sunt răcite, cristalele au timp să crească doar la o dimensiune de mai multe celule unitare (nanocristale) sau nu au timp să se formeze. deloc. Un astfel de metal după răcire arată ca unul obișnuit, dar nu oferă linii clare pe modelul de raze X, iar razele X reflectate sunt distribuite pe întreaga gamă de unghiuri de privire.

După iradierea cu neutroni, pe modelele de raze X apar pete suplimentare (maxime difuze). Dezintegrarea radioactivă provoacă, de asemenea, efecte specifice de raze X asociate cu o modificare a structurii, precum și faptul că proba studiată devine în sine o sursă de raze X.

AGENȚIA FEDERALĂ DE EDUCAȚIE A FEDERĂȚIA RUSĂ

INSTITUȚIE DE ÎNVĂȚĂMÂNT DE STAT

ÎNVĂŢĂMÂNT PROFESIONAL SUPERIOR

INSTITUTUL DE STAT AL OTELULUI SI ALIEIILOR MOSCOVA

(UNIVERSITATEA DE TEHNOLOGIE)

SUCURSALA NOVOTROITSKY

Departamentul OEND

LUCRARE DE CURS

Disciplina: fizica

Subiect: X-RAY

Elev: Nedorezova N.A.

Grupa: EiU-2004-25, Nr. З.К.: 04Н036

Verificat de: Ozhegova S.M.

Introducere

Capitolul 1

1.1 Biografia lui Roentgen Wilhelm Conrad

1.2 Descoperirea razelor X

capitolul 2

2.1 Surse de raze X

2.2 Proprietățile razelor X

2.3 Înregistrarea razelor X

2.4 Utilizarea razelor X

capitolul 3

3.1 Analiza imperfecțiunilor structurii cristaline

3.2 Analiza spectrului

Concluzie

Lista surselor utilizate

Aplicații

Introducere

O persoană rară nu a trecut printr-o cameră de radiografie. Imaginile făcute cu raze X sunt familiare tuturor. În 1995, această descoperire avea 100 de ani. Este greu de imaginat ce mare interes a trezit acum un secol. În mâinile unui bărbat s-a dovedit a fi un aparat cu care era posibil să se vadă invizibilul.

Această radiație invizibilă capabilă să pătrundă, deși în grade diferite, în toate substanțele, adică radiația electromagnetică cu o lungime de undă de aproximativ 10 -8 cm, a fost numită radiație cu raze X, în onoarea lui Wilhelm Roentgen care a descoperit-o.

La fel ca lumina vizibilă, razele X provoacă înnegrirea filmului fotografic. Această proprietate este de mare importanță pentru medicină, industrie și cercetare științifică. Trecând prin obiectul studiat și apoi căzând pe film, radiația cu raze X își descrie structura internă pe acesta. Întrucât puterea de penetrare a razelor X este diferită pentru materiale diferite, părțile obiectului care sunt mai puțin transparente pentru acesta oferă zone mai luminoase în fotografie decât cele prin care radiația pătrunde bine. Astfel, țesuturile osoase sunt mai puțin transparente la razele X decât țesuturile care alcătuiesc pielea și organele interne. Prin urmare, pe radiografie, oasele vor fi indicate ca zone mai ușoare, iar locul fracturii, care este mai puțin transparent pentru radiații, poate fi detectat destul de ușor. Imagistica cu raze X este, de asemenea, utilizată în stomatologie pentru a detecta carii și abcese la rădăcinile dinților, precum și în industrie pentru a detecta fisuri în piese turnate, materiale plastice și cauciucuri, în chimie pentru a analiza compuși și în fizică pentru a studia structura cristalelor. .

Descoperirea lui Roentgen a fost urmată de experimente ale altor cercetători care au descoperit multe proprietăți și aplicații noi ale acestei radiații. O contribuție majoră a avut-o M. Laue, W. Friedrich și P. Knipping, care în 1912 au demonstrat difracția razelor X pe măsură ce acestea trec printr-un cristal; W. Coolidge, care în 1913 a inventat un tub cu raze X cu vid înalt cu catod încălzit; G. Moseley, care a stabilit în 1913 relația dintre lungimea de undă a radiației și numărul atomic al unui element; G. și L. Braggy, care au primit în 1915 Premiul Nobel pentru dezvoltarea bazelor analizei difracției cu raze X.

Scopul acestui curs este de a studia fenomenul radiației cu raze X, istoria descoperirii, proprietățile și identificarea domeniului de aplicare a acestuia.

Capitolul 1

1.1 Biografia lui Roentgen Wilhelm Conrad

Wilhelm Conrad Roentgen s-a născut la 17 martie 1845 în regiunea de graniță a Germaniei cu Olanda, în orașul Lenepe. Și-a primit studiile tehnice la Zurich la aceeași școală tehnică superioară (politehnică) unde a studiat mai târziu Einstein. Pasiunea pentru fizică l-a forțat după ce a părăsit școala în 1866 să continue educația fizică.

În 1868 și-a susținut disertația pentru gradul de doctor în filozofie, a lucrat ca asistent la Departamentul de Fizică, mai întâi la Zurich, apoi la Giessen, iar apoi la Strasbourg (1874-1879) cu Kundt. Aici Roentgen a trecut printr-o școală experimentală bună și a devenit un experimentator de primă clasă. Roentgen a efectuat o parte din cercetările importante cu studentul său, unul dintre fondatorii fizicii sovietice, A.F. Ioffe.

Cercetarea științifică se referă la electromagnetism, fizica cristalelor, optică, fizica moleculară.

În 1895, a descoperit radiațiile cu o lungime de undă mai mică decât lungimea de undă a razelor ultraviolete (razele X), numite mai târziu raze X, și a investigat proprietățile acestora: capacitatea de a reflecta, absorbi, ioniza aerul etc. El a propus proiectarea corectă a tubului pentru obținerea de raze X - un anticatod de platină înclinat și un catod concav: a fost primul care a făcut fotografii folosind raze X. El a descoperit în 1885 câmpul magnetic al unui dielectric care se mișcă într-un câmp electric (așa-numitul „curent roentgen”).Experiența sa a arătat clar că un câmp magnetic este creat de sarcinile în mișcare și a fost important pentru crearea lui X. Lorentz. teoria electronică.Un număr semnificativ de lucrări ale lui Roentgen sunt dedicate studiului proprietăților lichidelor, gazelor, cristalelor, fenomenelor electromagnetice, a descoperit relația dintre fenomenele electrice și optice din cristale.Pentru descoperirea razelor care îi poartă numele, Roentgen în 1901 a fost primul dintre fizicieni care a primit Premiul Nobel.

Din 1900 până în ultimele zile ale vieții sale (a murit la 10 februarie 1923) a lucrat la Universitatea din München.

1.2 Descoperirea razelor X

Sfârșitul secolului al XIX-lea a fost marcată de interes sporit pentru fenomenele de trecere a energiei electrice prin gaze. Chiar și Faraday a studiat serios aceste fenomene, a descris diferite forme de descărcare, a descoperit un spațiu întunecat într-o coloană luminoasă de gaz rarefiat. Spațiul întunecat Faraday separă strălucirea albăstruie, catodică, de strălucirea anodă, roz.

O creștere suplimentară a rarefării gazului schimbă în mod semnificativ natura strălucirii. Matematicianul Plücker (1801-1868) a descoperit în 1859, la o rarefacție suficient de puternică, un fascicul de raze slab albăstrui care emana din catod, ajungând la anod și făcând strălucirea sticlei tubului. Studentul lui Plücker Gittorf (1824-1914) în 1869 și-a continuat cercetările profesorului său și a arătat că pe suprafața fluorescentă a tubului apare o umbră distinctă dacă un corp solid este plasat între catod și această suprafață.

Goldstein (1850-1931), studiind proprietățile razelor, le-a numit raze catodice (1876). Trei ani mai târziu, William Crookes (1832-1919) a dovedit natura materială a razelor catodice și le-a numit „materie radiantă" - o substanță într-o a patra stare specială. Dovezile sale au fost convingătoare și clare. Au fost demonstrate experimente cu „tubul Crookes". mai târziu în toate sălile fizice . Deviația fasciculului catodic de către un câmp magnetic într-un tub Crookes a devenit o demonstrație școlară clasică.

Cu toate acestea, experimentele privind deviația electrică a razelor catodice nu au fost atât de convingătoare. Hertz nu a detectat o astfel de abatere și a ajuns la concluzia că raza catodica este un proces oscilator în eter. Studentul lui Hertz, F. Lenard, experimentând cu raze catodice, a arătat în 1893 că acestea trec printr-o fereastră acoperită cu folie de aluminiu și provoacă o strălucire în spațiul din spatele ferestrei. Fenomenul trecerii razelor catodice prin corpuri subțiri de metal Hertz și-a dedicat ultimul articol, publicat în 1892. A început cu cuvintele:

„Razele catodice diferă de lumină într-un mod semnificativ în ceea ce privește capacitatea lor de a pătrunde în solide.” Descriind rezultatele experimentelor privind trecerea razelor catodice prin frunze de aur, argint, platină, aluminiu etc., Hertz notează că nu a observați orice diferențe speciale în fenomene Razele nu trec prin frunze în linie dreaptă, ci sunt împrăștiate prin difracție. Natura razelor catodice era încă neclară.

Cu astfel de tuburi de Crookes, Lenard și alții a experimentat profesorul de la Würzburg Wilhelm Conrad Roentgen la sfârșitul anului 1895. Odată, după încheierea experimentului, a închis tubul cu un capac de carton negru, a stins lumina, dar nu a oprit inductorul care alimenta tubul, a observat strălucirea ecranului de la cianogenul de bariu situat lângă tub. Lovită de această împrejurare, Roentgen a început să experimenteze cu ecranul. În primul său raport „On a new kind of rays”, din 28 decembrie 1895, scria despre aceste prime experimente: „O bucată de hârtie acoperită cu bariu platină-cianură, când se apropie de un tub, închisă cu un capac de culoare neagră subțire. carton care se potrivește suficient de bine, cu fiecare descărcare clipește cu o lumină puternică: începe să fluoresce. Fluorescența este vizibilă cu întunecare suficientă și nu depinde dacă aducem hârtia cu fața acoperită cu sinerogen de bariu sau nu acoperită cu sinerogen de bariu. Fluorescența este vizibilă chiar și la o distanță de doi metri de tub.”

O examinare atentă a arătat lui Roentgen „că cartonul negru, transparent nici la razele vizibile și ultraviolete ale soarelui, nici la razele unui arc electric, este pătruns de un fel de agent care provoacă fluorescența.” Roentgen a investigat puterea de penetrare a acestui „ agent”, pe care l-a numit pentru concizie „razele X”, pentru diferite substanțe. A constatat că razele trec liber prin hârtie, lemn, ebonită, straturi subțiri de metal, dar sunt puternic întârziate de plumb.

Apoi descrie experiența senzațională:

„Dacă țineți mâna între tubul de descărcare și ecran, puteți vedea umbrele întunecate ale oaselor în contururile slabe ale umbrei mâinii în sine.” Aceasta a fost prima examinare cu raze X a corpului uman. Roentgen a primit și primele raze X prin prinderea lor de mână.

Aceste fotografii au făcut o impresie uriașă; descoperirea nu fusese încă finalizată, iar diagnosticarea cu raze X începuse deja călătoria. „Laboratorul meu a fost inundat de medici care aduceau pacienți care bănuiau că au ace în diferite părți ale corpului”, a scris fizicianul englez Schuster.

Deja după primele experimente, Roentgen a stabilit ferm că razele X diferă de cele catodice, nu poartă o sarcină și nu sunt deviate de un câmp magnetic, dar sunt excitate de razele catodice. „Razele X nu sunt identice cu catodul. razele, dar sunt excitate de ele în pereții de sticlă ai tubului de descărcare ”, a scris Roentgen.

De asemenea, a stabilit că sunt excitați nu numai în sticlă, ci și în metale.

Menționând ipoteza Hertz-Lenard conform căreia razele catodice „sunt un fenomen care are loc în eter”, Roentgen subliniază că „putem spune ceva similar despre razele noastre”. Cu toate acestea, el nu a reușit să detecteze proprietățile undei ale razelor, ele „se comportă diferit decât razele ultraviolete, vizibile, infraroșii cunoscute până acum.” În acțiunile lor chimice și luminiscente, potrivit lui Roentgen, ele sunt similare cu razele ultraviolete. În primul mesaj , el a exprimat presupunerea lăsată mai târziu că pot fi unde longitudinale în eter.

Descoperirea lui Roentgen a trezit un mare interes în lumea științifică. Experimentele sale au fost repetate în aproape toate laboratoarele din lume. La Moscova au fost repetate de P.N. Lebedev. La Sankt Petersburg, inventatorul radioului A.S. Popov a experimentat cu raze X, le-a demonstrat la prelegeri publice, primind diferite raze X. În Cambridge D.D. Thomson a aplicat imediat efectul ionizant al razelor X pentru a studia trecerea electricității prin gaze. Cercetările sale au dus la descoperirea electronului.

capitolul 2

Radiaţia de raze X - radiaţie electromagnetică ionizantă, ocupând regiunea spectrală dintre radiaţiile gamma şi ultraviolete în lungimi de undă de la 10 -4 la 10 3 (de la 10 -12 la 10 -5 cm).R. l. cu lungimea de undă λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - moale.

2.1 Surse de raze X

Cea mai comună sursă de raze X este tubul cu raze X. - dispozitiv de electrovacuum servind ca sursă de raze X. O astfel de radiație apare atunci când electronii emiși de catod decelerează și lovesc anodul (anticatodul); în acest caz, energia electronilor accelerată de un câmp electric puternic în spațiul dintre anod și catod este parțial convertită în energie de raze X. Radiația tubului cu raze X este o suprapunere a bremsstrahlung cu raze X pe radiația caracteristică a materialului anodic. Tuburile de raze X se disting: după metoda de obținere a unui flux de electroni - cu catod termoionic (încălzit), catod cu emisie de câmp (ascuțit), catod bombardat cu ioni pozitivi și cu o sursă de electroni (β) radioactivă; conform metodei de aspirare - sigilat, pliabil; dupa timpul de radiatie - actiune continua, pulsata; în funcție de tipul de răcire a anodului - cu apă, ulei, aer, răcire prin radiații; în funcție de dimensiunea focalizării (zona de radiație pe anod) - macrofocus, focalizare clară și microfocus; după forma sa - inel, rotund, riglat; după metoda de focalizare a electronilor pe anod - cu focalizare electrostatică, magnetică, electromagnetică.

Tuburile cu raze X sunt utilizate în analiza structurală cu raze X (Anexa 1), analiza spectrală cu raze X, detectarea defectelor (Anexa 1), diagnosticare cu raze X (Anexa 1), radioterapie , microscopie cu raze X și microradiografie. Tuburile de raze X sigilate cu un catod termoionic, un anod răcit cu apă și un sistem de focalizare electrostatică a electronilor sunt utilizate pe scară largă în toate domeniile (Anexa 2). Catodul termoionic al tuburilor cu raze X este de obicei o spirală sau un filament drept de sârmă de tungsten încălzit de un curent electric. Secțiunea de lucru a anodului - o suprafață de oglindă metalică - este situată perpendicular sau la un anumit unghi pe fluxul de electroni. Pentru a obține un spectru continuu de radiații cu raze X de energii și intensitate mari, se folosesc anozi din Au, W; Tuburile cu raze X cu anozi Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag sunt utilizate în analiza structurală.

Principalele caracteristici ale tuburilor cu raze X sunt tensiunea maximă admisă de accelerare (1-500 kV), curentul electronic (0,01 mA - 1A), puterea specifică disipată de anod (10-10 4 W / mm 2), consumul total de energie (0,002 W - 60 kW) și dimensiuni de focalizare (1 µm - 10 mm). Eficiența tubului cu raze X este de 0,1-3%.

Unii izotopi radioactivi pot servi și ca surse de raze X. : unele dintre ele emit direct raze X, radiațiile nucleare ale altora (electroni sau particule λ) bombardează o țintă metalică, care emite raze X. Intensitatea razelor X a surselor izotopice este cu câteva ordine de mărime mai mică decât intensitatea radiației unui tub cu raze X, dar dimensiunile, greutatea și costul surselor izotopice sunt incomparabil mai mici decât cele cu un tub cu raze X.

Sincrotronii și inelele de stocare a electronilor cu energii de câțiva GeV pot servi ca surse de raze X moi cu λ de ordinul zecilor și sutelor. În intensitate, radiația de raze X a sincrotronilor depășește radiația unui tub de raze X în regiunea specificată a spectrului cu 2-3 ordine de mărime.

Surse naturale de raze X - Soarele și alte obiecte spațiale.

2.2 Proprietățile razelor X

În funcție de mecanismul de origine a razelor X, spectrele acestora pot fi continue (bremsstrahlung) sau liniare (caracteristice). Un spectru continuu de raze X este emis de particulele încărcate rapid ca rezultat al decelerarii lor atunci când interacționează cu atomii țintă; acest spectru atinge o intensitate semnificativă doar atunci când ținta este bombardată cu electroni. Intensitatea razelor X bremsstrahlung este distribuită pe toate frecvențele până la limita de înaltă frecvență 0 , la care energia fotonului h 0 (h este constanta lui Planck ) este egală cu energia eV a electronilor care bombardează (e este sarcina electronilor, V este diferența de potențial a câmpului de accelerație trecut de ei). Această frecvență corespunde marginii cu lungime de undă scurtă a spectrului 0 = hc/eV (c este viteza luminii).

Radiația de linie apare după ionizarea unui atom cu ejectarea unui electron dintr-una dintre învelișurile sale interioare. O astfel de ionizare poate fi rezultatul ciocnirii unui atom cu o particulă rapidă, cum ar fi un electron (razele X primare) sau absorbția unui foton de către un atom (razele X fluorescente). Atomul ionizat se găsește în starea cuantică inițială la unul dintre nivelurile de energie înalte și după 10 -16 -10 -15 secunde trece în starea finală cu o energie mai mică. În acest caz, un atom poate emite un exces de energie sub forma unui foton de o anumită frecvență. Frecvențele liniilor spectrului unei astfel de radiații sunt caracteristice atomilor fiecărui element, de aceea spectrul liniei de raze X se numește caracteristic. Dependența frecvenței liniei acestui spectru de numărul atomic Z este determinată de legea Moseley.

legea lui Moseley, legea referitoare la frecvența liniilor spectrale ale radiației caracteristice de raze X element chimic cu numărul său de serie. G. Moseley instalat experimental în 1913. Conform legii lui Moseley, rădăcina pătrată a frecvenței  a liniei spectrale a radiației caracteristice a unui element este o funcție liniară a numărului său de serie Z:

unde R este constanta Rydberg , S n - constanta de screening, n - numărul cuantic principal. Pe diagrama Moseley (Anexa 3), dependența de Z este o serie de linii drepte (K-, L-, M- etc. serie corespunzătoare valorilor n = 1, 2, 3,.).

Legea lui Moseley a fost o dovadă de nerefuzat a plasării corecte a elementelor în sistem periodic elemente DI. Mendeleev și a contribuit la elucidarea semnificației fizice a lui Z.

În conformitate cu legea lui Moseley, spectrele caracteristice de raze X nu prezintă modelele periodice inerente spectrelor optice. Acest lucru indică faptul că învelișurile interioare de electroni ale atomilor tuturor elementelor care apar în spectrele caracteristice de raze X au o structură similară.

Experimentele ulterioare au scos la iveală unele abateri de la dependența liniară pentru grupurile de tranziție ale elementelor, asociate cu o modificare a ordinii de umplere a învelișurilor de electroni exterioare, precum și pentru atomii grei, rezultate din efecte relativiste (explicate condiționat prin faptul că vitezele celor interioare sunt comparabile cu viteza luminii).

În funcție de o serie de factori - de numărul de nucleoni din nucleu (deplasare izotonică), starea învelișurilor exterioare de electroni (deplasare chimică) etc. - poziția liniilor spectrale pe diagrama Moseley se poate schimba oarecum. Studiul acestor deplasări permite obținerea de informații detaliate despre atom.

Razele X Bremsstrahlung emise de ținte foarte subțiri sunt complet polarizate aproape de 0; pe măsură ce 0 scade, gradul de polarizare scade. Radiația caracteristică, de regulă, nu este polarizată.

Când razele X interacționează cu materia, poate apărea efectul fotoelectric. , însoțind absorbția sa de raze X și împrăștierea acestora, efectul fotoelectric se observă atunci când un atom, absorbind un foton de raze X, ejectează unul dintre electronii săi interni, după care poate fie să facă o tranziție radiativă, emitând un foton de caracteristică. radiație sau ejectați un al doilea electron în timpul unei tranziții nonradiative (electron Auger). Sub acțiunea razelor X asupra cristalelor nemetalice (de exemplu, pe sare gema) în unele locuri ale rețelei atomice apar ioni cu o sarcină pozitivă suplimentară, iar în apropierea lor apar electroni în exces. Astfel de tulburări în structura cristalelor, numite excitoni de raze X , sunt centre de culoare și dispar doar cu o creștere semnificativă a temperaturii.

Când razele X trec printr-un strat de substanță cu grosimea x, intensitatea lor inițială I 0 scade la valoarea I = I 0 e - μ x unde μ este coeficientul de atenuare. Atenuarea lui I are loc din cauza a două procese: absorbția fotonilor de raze X de către materie și schimbarea direcției lor la împrăștiere. În regiunea cu lungime de undă lungă a spectrului predomină absorbția razelor X, în regiunea cu lungime de undă scurtă, împrăștierea acestora. Gradul de absorbție crește rapid odată cu creșterea Z și λ. De exemplu, razele X dure pătrund liber printr-un strat de aer ~ 10 cm; o placă de aluminiu de 3 cm grosime atenuează razele X cu λ = 0,027 la jumătate; razele X moi sunt absorbite semnificativ în aer, iar utilizarea și studiul lor este posibilă numai în vid sau într-un gaz slab absorbant (de exemplu, He). Când razele X sunt absorbite, atomii unei substanțe sunt ionizați.

Efectul razelor X asupra organismelor vii poate fi benefic sau dăunător, în funcție de ionizarea pe care o produc în țesuturi. Deoarece absorbția razelor X depinde de λ, intensitatea lor nu poate servi ca măsură a efectului biologic al razelor X. Măsurătorile cu raze X sunt folosite pentru a măsura efectul razelor X asupra materiei. , unitatea de măsură este roentgen

Difuzarea razelor X în regiunea Z și λ mare are loc în principal fără o modificare a lui λ și se numește împrăștiere coerentă, iar în regiunea Z și λ mici, de regulă, crește (împrăștiere incoerentă). Există 2 tipuri de împrăștiere incoerentă de raze X - Compton și Raman. În împrăștierea Compton, care are caracterul împrăștierii corpusculare inelastice, un electron de recul zboară din învelișul atomic din cauza energiei pierdute parțial de fotonul de raze X. În acest caz, energia fotonului scade și direcția acestuia se schimbă; modificarea lui λ depinde de unghiul de împrăștiere. În timpul împrăștierii Raman a unui foton de raze X de înaltă energie de către un atom de lumină, o mică parte din energia acestuia este cheltuită pentru ionizarea atomului și direcția mișcării fotonului se modifică. Schimbarea unor astfel de fotoni nu depinde de unghiul de împrăștiere.

Indicele de refracție n pentru raze X diferă de 1 printr-o cantitate foarte mică δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Viteza de fază a razelor X într-un mediu este mai mare decât viteza luminii în vid. Deviația razelor X în timpul trecerii de la un mediu la altul este foarte mică (câteva minute de arc). Când razele X cad dintr-un vid pe suprafața unui corp la un unghi foarte mic, are loc reflexia lor externă totală.

2.3 Înregistrarea razelor X

Ochiul uman nu este sensibil la razele X. Raze X

razele sunt înregistrate folosind o peliculă specială cu raze X care conține o cantitate crescută de Ag, Br. În regiunea λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5, sensibilitatea filmului pozitiv obișnuit este destul de mare, iar granulele sale sunt mult mai mici decât boabele filmului cu raze X, ceea ce mărește rezoluția. La λ de ordinul zecilor și sutelor, razele X acționează numai asupra stratului de suprafață cel mai subțire al emulsiei fotografice; pentru a creste sensibilitatea filmului se sensibilizeaza cu uleiuri luminiscente. În diagnosticarea cu raze X și detectarea defectelor, electrofotografia este uneori folosită pentru a înregistra raze X. (electroradiografie).

Razele X de intensitate mare pot fi înregistrate folosind o cameră de ionizare (Anexa 4), Raze X de intensități medii și scăzute la λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком cu cristal NaI (Tl) (Anexa 5), ​​la 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Anexa 6) și contor proporțional lipit (Anexa 7), la 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Anexa 8). În regiunea λ foarte mare (de la zeci la 1000), multiplicatorii de electroni secundari de tip deschis cu diferiți fotocatozi la intrare pot fi utilizați pentru a înregistra razele X.

2.4 Utilizarea razelor X

Razele X sunt cele mai utilizate în medicină pentru diagnosticarea cu raze X. si radioterapie . Detectarea defectelor cu raze X este importantă pentru multe ramuri ale tehnologiei. , de exemplu, pentru a detecta defecte interne la piese turnate (coci, incluziuni de zgură), fisuri în șine, defecte la suduri.

Analiza structurală cu raze X vă permite să stabiliți aranjarea spațială a atomilor în rețeaua cristalină a mineralelor și compușilor, în molecule anorganice și organice. Pe baza a numeroase structuri atomice care au fost deja descifrate, se poate rezolva și problema inversă: după modelul cu raze X substanță policristalină, de exemplu, oțel aliat, aliaj, minereu, sol lunar, se poate stabili compoziția cristalină a acestei substanțe, i.e. s-a efectuat analiza de fază. Numeroase aplicații ale lui R. l. radiografia materialelor este utilizată pentru studiul proprietăților solidelor .

microscopie cu raze X permite, de exemplu, obținerea unei imagini a unei celule, a unui microorganism, pentru a vedea structura lor internă. Spectroscopie cu raze X folosind spectre de raze X, el studiază distribuția de energie a densității stărilor electronice în diferite substanțe, investighează natura legăturii chimice și găsește încărcătura efectivă a ionilor în solide și molecule. Analiza spectrală cu raze X prin poziţia şi intensitatea liniilor spectrului caracteristic permite stabilirea unui calitativ şi compoziţia cantitativă substanțe și servește la testarea expresă nedistructivă a compoziției materialelor la fabricile metalurgice și de ciment, uzinele de prelucrare. La automatizarea acestor întreprinderi, spectrometrele și quantometrele cu raze X sunt utilizate ca senzori pentru compoziția unei substanțe.

Razele X care vin din spațiu transportă informații despre compoziția chimică a corpurilor cosmice și despre procesele fizice care au loc în spațiu. Astronomia cu raze X se ocupă cu studiul razelor X cosmice . Raze X puternice sunt folosite în chimia radiațiilor pentru a stimula anumite reacții, polimerizarea materialelor și crăparea substanțelor organice. Razele X sunt folosite și pentru a detecta picturi antice ascunse sub un strat de pictură târzie, în industria alimentară pentru a detecta obiecte străine care au intrat accidental în produsele alimentare, în criminalistică, arheologie etc.

capitolul 3

Una dintre sarcinile principale ale analizei de difracție cu raze X este de a determina compoziția reală sau de fază a unui material. Metoda de difracție cu raze X este directă și se caracterizează prin fiabilitate ridicată, rapiditate și relativ ieftinitate. Metoda nu necesită o cantitate mare de substanță, analiza poate fi efectuată fără distrugerea piesei. Domeniile de aplicare a analizei calitative de fază sunt foarte diverse atât pentru cercetarea științifică, cât și pentru controlul în producție. Puteți verifica compoziția materiilor prime de producție metalurgică, produse de sinteză, prelucrare, rezultatul schimbărilor de fază în timpul tratamentului termic și chimico-termic, analiza diferite acoperiri, pelicule subțiri etc.

Fiecare fază, având propria sa structură cristalină, se caracterizează printr-un anumit set de valori discrete ale distanțelor interplanare d/n de la maxim și dedesubt, inerente doar acestei faze. După cum rezultă din ecuația Wulf-Bragg, fiecare valoare a distanței interplanare corespunde unei linii pe modelul de raze X dintr-o probă policristalină la un anumit unghi θ (la o valoare dată a lungimii de undă λ). Astfel, un anumit sistem de linii (maxime de difracție) va corespunde unui anumit set de distanțe interplanare pentru fiecare fază din modelul de difracție de raze X. Intensitatea relativă a acestor linii în modelul cu raze X depinde în primul rând de structura fazei. Prin urmare, determinând locația liniilor pe imaginea cu raze X (unghiul său θ) și cunoscând lungimea de undă a radiației pe care a fost luată imaginea cu raze X, este posibil să se determine valorile distanțelor interplanare. d/n folosind formula Wulf-Bragg:

/n = λ/ (2sin θ). (unu)

După ce s-a determinat setul d/n pentru materialul studiat și comparându-l cu datele d/n cunoscute anterior pentru substanțele pure, diferiții lor compuși, este posibil să se stabilească ce fază cuprinde materialul dat. Trebuie subliniat că fazele sunt determinate și nu compoziția chimică, dar aceasta din urmă poate fi uneori dedusă dacă există date suplimentare despre compoziția elementară a unei anumite faze. Sarcina analizei calitative de fază este mult facilitată dacă se cunoaște compoziția chimică a materialului studiat, deoarece atunci se pot face ipoteze preliminare despre fazele posibile în acest caz.

Cheia analizei de fază este măsurarea cu precizie a intensității d/n și a liniei. Deși acest lucru este, în principiu, mai ușor de realizat folosind un difractometru, fotometoda pentru analiza calitativă are unele avantaje, în primul rând în ceea ce privește sensibilitatea (capacitatea de a detecta prezența unei cantități mici de fază în probă), precum și simplitatea tehnica experimentală.

Calculul d/n din diagrama de raze X se realizează folosind ecuația Wulf-Bragg.

Ca valoare a lui λ în această ecuație, se utilizează de obicei λ α cf seria K:

λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

Uneori se folosește linia K α1. Determinarea unghiurilor de difracție θ pentru toate liniile de raze X vă permite să calculați d / n conform ecuației (1) și să separați liniile β (dacă nu a existat un filtru pentru (razele β).

3.1 Analiza imperfecțiunilor structurii cristaline

Toate materialele reale monocristaline și cu atât mai mult policristaline conțin anumite imperfecțiuni structurale (defecte punctuale, dislocații, diferite tipuri de interfețe, micro și macro-stresuri), care au un efect foarte puternic asupra tuturor proprietăților și proceselor sensibile la structură.

Imperfecțiunile structurale provoacă distorsiuni ale rețelei cristaline de natură diferită și, ca urmare, diferite tipuri de modificări ale modelului de difracție: o modificare a distanțelor interatomice și interplanare determină o schimbare a maximelor de difracție, microtensiunile și dispersitatea substructurii duc la o lărgire. de maxime de difracție, microdistorsiuni de rețea - la modificarea intensității acestor maxime, dislocațiile de prezență determină fenomene anormale în timpul trecerii razelor X și, în consecință, neomogenități locale de contrast pe topogramele de raze X etc.

Ca rezultat, analiza de difracție cu raze X este una dintre cele mai informative metode pentru studiul imperfecțiunilor structurale, tipul și concentrația lor și natura distribuției lor.

Metoda tradițională directă de difracție cu raze X, care este implementată pe difractometrele staționare, datorită caracteristicilor lor de proiectare, permite determinarea cantitativă a tensiunilor și deformațiilor numai pe eșantioane mici tăiate din piese sau obiecte.

Prin urmare, în prezent, există o tranziție de la difractometrele cu raze X staționare la portabile de dimensiuni mici, care oferă o evaluare a tensiunilor din materialul pieselor sau obiectelor fără distrugere în etapele fabricării și funcționării acestora.

Difractometrele portabile cu raze X din seria DRP * 1 fac posibilă controlul tensiunilor reziduale și eficiente în piese, produse și structuri de dimensiuni mari fără distrugere

Programul din mediul Windows permite nu numai determinarea tensiunilor folosind metoda „sin 2 ψ” în timp real, ci și monitorizarea modificării compoziției fazei și texturii. Detectorul de coordonate liniare asigură înregistrarea simultană la unghiuri de difracție 2θ = 43°. tuburile cu raze X de dimensiuni mici de tip „Vulpea” cu luminozitate mare si putere redusa (5 W) asigura siguranta radiologica a aparatului, in care la o distanta de 25 cm de zona iradiata, nivelul de radiatie este egal cu nivelul de fundal natural. Dispozitivele din seria DRP sunt utilizate în determinarea tensiunilor în diferite stadii de formare a metalelor, tăiere, șlefuire, tratament termic, sudare, călire la suprafață în vederea optimizării acestor operațiuni tehnologice. Controlul scăderii nivelului tensiunilor de compresiune reziduale induse în produsele și structurile deosebit de critice în timpul funcționării acestora face posibilă scoaterea din funcțiune a produsului înainte de distrugerea sa, prevenind posibilele accidente și catastrofe.

3.2 Analiza spectrului

Odată cu determinarea structurii cristaline atomice și a compoziției de fază a materialului, pentru caracterizarea completă a acestuia, este obligatorie determinarea compoziției sale chimice.

Din ce în ce mai mult, diferite așa-numite metode instrumentale de analiză spectrală sunt utilizate în practică în aceste scopuri. Fiecare dintre ele are propriile avantaje și aplicații.

Una dintre cerințele importante în multe cazuri este ca metoda folosită să asigure siguranța obiectului analizat; Aceste metode de analiză sunt discutate în această secțiune. Următorul criteriu după care au fost alese metodele de analiză descrise în această secțiune este localitatea acestora.

Metoda analizei spectrale cu raze X cu fluorescență se bazează pe pătrunderea radiațiilor X destul de dure (de la un tub de raze X) în obiectul analizat, pătrunzând într-un strat cu o grosime de ordinul mai multor micrometri. Radiația caracteristică de raze X care apare în acest caz în obiect face posibilă obținerea de date medii privind compoziția sa chimică.

Pentru a determina compoziția elementară a unei substanțe, se poate folosi analiza spectrului caracteristic de raze X al unei probe plasate pe anodul unui tub de raze X și supusă bombardării electronice - metoda de emisie sau analiza spectrului. de radiație secundară (fluorescentă) cu raze X a unei probe supuse iradierii cu raze X dure de la un tub de raze X sau altă sursă - metoda fluorescentă.

Dezavantajul metodei de emisie este, în primul rând, necesitatea plasării probei pe anodul tubului cu raze X, urmată de evacuare cu pompe de vid; evident, această metodă este nepotrivită pentru substanțele fuzibile și volatile. Al doilea dezavantaj este legat de faptul că chiar și obiectele refractare sunt deteriorate de bombardamentul cu electroni. Metoda fluorescentă este lipsită de aceste neajunsuri și, prin urmare, are o aplicație mult mai largă. Avantajul metodei fluorescenței este și absența bremsstrahlungului, care îmbunătățește sensibilitatea analizei. Compararea lungimilor de undă măsurate cu tabelele liniilor spectrale ale elementelor chimice stă la baza unei analize calitative, iar intensitățile relative ale liniilor spectrale ale diferitelor elemente care formează substanța eșantion stau la baza unei analize cantitative. Din luarea în considerare a mecanismului de excitare a radiațiilor X caracteristice, este clar că radiațiile uneia sau altei serii (K sau L, M etc.) apar simultan, iar raportul intensităților liniei din cadrul seriei este întotdeauna constant. Așadar, prezența acestui sau aceluia element este stabilită nu prin linii individuale, ci printr-o serie de linii în ansamblu (cu excepția celor mai slabe, ținând cont de conținutul acestui element). Pentru elementele relativ uşoare se utilizează analiza liniilor din seria K, pentru elementele grele, liniile din seria L; în diferite condiții (în funcție de echipamentul utilizat și de elementele analizate), diferite regiuni ale spectrului caracteristic pot fi cele mai convenabile.

Principalele caracteristici ale analizei spectrale cu raze X sunt următoarele.

Simplitatea spectrelor caracteristice de raze X chiar și pentru elementele grele (comparativ cu spectrele optice), ceea ce simplifică analiza (număr mic de linii; asemănarea lor poziție relativă; cu o creștere a numărului de serie, are loc o schimbare regulată a spectrului către regiunea cu lungime de undă scurtă, simplitatea comparativă a analizei cantitative).

Independenta lungimilor de unda fata de starea atomilor elementului analizat (liber sau intr-un compus chimic). Acest lucru se datorează faptului că apariția radiațiilor X caracteristice este asociată cu excitarea nivelurilor electronice interne, care în cele mai multe cazuri practic nu se modifică odată cu gradul de ionizare a atomilor.

Posibilitatea de separare în analiza pământurilor rare și a altor elemente care au diferențe mici în spectre în domeniul optic datorită similitudinii structura electronicaînvelișurile exterioare și diferă foarte puțin în proprietățile lor chimice.

Spectroscopia cu fluorescență cu raze X este „nedistructivă”, deci are un avantaj față de spectroscopia optică convențională atunci când se analizează probe subțiri - tablă subțire de metal, folie etc.

Spectrometre cu fluorescență cu raze X, printre care spectrometre multicanal sau quantometre, care oferă o analiză cantitativă expresă a elementelor (de la Na sau Mg la U) cu o eroare mai mică de 1% din valoarea determinată, un prag de sensibilitate de 10 -3 ... 10 -4% .

fascicul de raze X

Metode de determinare a compoziției spectrale a razelor X

Spectrometrele sunt împărțite în două tipuri: cu difracție cu cristale și fără cristale.

Descompunerea razelor X într-un spectru folosind un rețele de difracție naturală - un cristal - este în esență similară cu obținerea unui spectru de raze de lumină obișnuite folosind un rețele de difracție artificială sub formă de lovituri periodice pe sticlă. Condiția pentru formarea unui maxim de difracție poate fi scrisă ca condiția de „reflexie” dintr-un sistem de plane atomice paralele separate de o distanță d hkl .

Atunci când se efectuează o analiză calitativă, se poate aprecia prezența unui element într-o probă după o linie - de obicei cea mai intensă linie din seria spectrală potrivită pentru un anumit cristal analizor. Rezoluția spectrometrelor de difracție cu cristale este suficientă pentru a separa liniile caracteristice chiar și ale elementelor adiacente în poziție în tabelul periodic. Cu toate acestea, este necesar să se țină seama și de impunerea diferitelor linii de diferite elemente, precum și de impunerea de reflectări de diferite ordine. Această circumstanță trebuie luată în considerare la alegerea liniilor analitice. În același timp, este necesar să se utilizeze posibilitățile de îmbunătățire a rezoluției dispozitivului.

Concluzie

Astfel, razele X sunt radiații electromagnetice invizibile cu o lungime de undă de 10 5 - 10 2 nm. Razele X pot pătrunde în unele materiale care sunt opace la lumina vizibilă. Ele sunt emise în timpul decelerației electronilor rapizi în materie (spectru continuu) și în timpul tranzițiilor electronilor de la învelișurile de electroni exterioare ale atomului la cele interioare (spectru liniar). Sursele de radiație de raze X sunt: ​​tubul de raze X, unii izotopi radioactivi, acceleratorii și acumulatorii de electroni (radiația sincrotron). Receptoare - peliculă, ecrane luminiscente, detectoare de radiații nucleare. Razele X sunt utilizate în analiza de difracție a razelor X, medicină, detectarea defectelor, analiza spectrală cu raze X etc.

Având în vedere aspectele pozitive ale descoperirii lui V. Roentgen, este necesar să remarcăm efectul biologic dăunător al acestuia. S-a dovedit că razele X pot provoca ceva de genul unei arsuri solare severe (eritem), însoțită, totuși, de leziuni mai profunde și mai permanente ale pielii. Ulcerele care apar adesea se transformă în cancer. În multe cazuri, degetele sau mâinile au trebuit amputate. Au fost și morți.

S-a constatat că leziunile cutanate pot fi evitate prin reducerea timpului de expunere și a dozei, folosind ecrane (de exemplu plumb) și telecomenzi. Dar treptat au fost dezvăluite și alte efecte, mai lungi, ale expunerii la raze X, care au fost apoi confirmate și studiate pe animale de experiment. Efectele datorate razelor X și altor radiații ionizante (cum ar fi razele gamma emise de materialele radioactive) includ:

) modificări temporare ale compoziției sângelui după o expunere relativ mică în exces;

) modificări ireversibile ale compoziției sângelui (anemie hemolitică) după expunere excesivă prelungită;

) o creștere a incidenței cancerului (inclusiv leucemie);

) îmbătrânire mai rapidă și moarte timpurie;

) apariţia cataractei.

Impactul biologic al razelor X asupra corpului uman este determinat de nivelul dozei de radiație, precum și de ce anume organ al corpului a fost expus la radiații.

Acumularea de cunoștințe despre efectele radiațiilor X asupra organismului uman a condus la elaborarea unor standarde naționale și internaționale pentru dozele admisibile de radiații, publicate în diverse publicații de referință.

A evita efecte nocive Sunt utilizate metode de control al radiațiilor cu raze X:

) disponibilitatea echipamentului adecvat,

) monitorizarea conformității cu reglementările de siguranță,

) utilizarea corectă a echipamentului.

Lista surselor utilizate

1) Blokhin M.A., Fizica razelor X, ed. a II-a, M., 1957;

) Blokhin M.A., Methods of X-ray spectral studies, M., 1959;

) Raze X. sat. ed. M.A. Blokhin, trad. cu el. şi engleză, M., 1960;

) Kharaja F., Curs general de inginerie cu raze X, ed. a III-a, M. - L., 1966;

) Mirkin L.I., Handbook of X-ray Diffraction analysis of polycrystals, M., 1961;

) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Reference tables on X-ray spectroscopy, M., 1953.

) Analiza cu raze X și electron-optică. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Alocație pentru universități. - a 4-a ed. Adăuga. Și un relucrător. - M.: „MISiS”, 2002. - 360 p.

Aplicații

Atasamentul 1

Vedere generală a tuburilor cu raze X

Anexa 2

Schema tubului cu raze X pentru analiza structurala

Schema unui tub cu raze X pentru analiza structurala: 1 - sticla anodica metalica (de obicei impamantata); 2 - ferestre din beriliu pentru ieșire cu raze X; 3 - catod termoionic; 4 - bec de sticlă, izolând partea anodică a tubului de catod; 5 - bornele catodice, cărora li se aplică tensiunea filamentului, precum și tensiunea mare (față de anod); 6 - sistem electrostatic de focalizare a electronilor; 7 - anod (anticatod); 8 - conducte de ramificație pentru intrarea și ieșirea apei curente de răcire a sticlei anodului.

Anexa 3

Diagrama Moseley

Diagrama Moseley pentru seriile K, L și M de raze X caracteristice. Abscisa arată numărul de serie al elementului Z, ordonata - ( din este viteza luminii).

Anexa 4

Camera de ionizare.

Fig.1. Secțiunea unei camere de ionizare cilindrice: 1 - corp cilindric al camerei, care servește ca electrod negativ; 2 - tija cilindrica care serveste drept electrod pozitiv; 3 - izolatoare.

Orez. 2. Schema de pornire a camerei de ionizare a curentului: V - tensiunea pe electrozii camerei; G este un galvanometru care măsoară curentul de ionizare.

Orez. 3. Caracteristica curent-tensiune a camerei de ionizare.

Orez. 4. Schema de pornire a camerei de ionizare pulsată: C - capacitatea electrodului colector; R este rezistența.

Anexa 5

Contor de scintilații.

Schema unui contor de scintilație: cuante de lumină (fotoni) electroni „knock out” din fotocatod; trecând de la dinod la dinod, avalanșa de electroni se înmulțește.

Anexa 6

Contor Geiger-Muller.

Orez. 1. Schema unui contor Geiger-Muller din sticlă: 1 - tub de sticlă închis ermetic; 2 - catod (un strat subțire de cupru pe un tub de oțel inoxidabil); 3 - ieșirea catodului; 4 - anod (fir întins subțire).

Orez. 2. Schema de pornire a contorului Geiger-Muller.

Orez. 3. Caracteristica de numărare a contorului Geiger-Muller.

Anexa 7

contor proportional.

Schema unui contor proporțional: a - regiunea de derive a electronilor; b - zona de amplificare a gazului.

Anexa 8

Detectoare cu semiconductori

Detectoare cu semiconductori; zona sensibilă se evidențiază prin hașurare; n - regiunea unui semiconductor cu conductivitate electronică, p - cu gaură, i - cu conducție intrinsecă; a - detector de barieră de suprafață cu siliciu; b - detector plan de deriva germaniu-litiu; c - detector coaxial germaniu-litiu.

Omul de știință german Wilhelm Conrad Roentgen poate fi considerat pe bună dreptate fondatorul radiografiei și descoperitorul caracteristicilor cheie ale razelor X.

Apoi, în 1895, nici măcar nu bănuia amploarea aplicării și popularitatea radiațiilor X descoperite de el, deși chiar și atunci au ridicat o rezonanță largă în lumea științei.

Este puțin probabil ca inventatorul să fi putut ghici ce beneficiu sau prejudiciu ar aduce rodul activității sale. Dar astăzi vom încerca să aflăm ce efect are acest tip de radiații asupra corpului uman.

• Radiația X este înzestrată cu o putere de penetrare uriașă, dar depinde de lungimea de undă și densitatea materialului care este iradiat;
• sub influența radiațiilor, unele obiecte încep să strălucească;
• razele X afectează ființele vii;
• datorită razelor X, încep să apară unele reacții biochimice;
• Un fascicul de raze X poate prelua electroni de la unii atomi și, prin urmare, îi poate ioniza.

Chiar și inventatorul însuși era preocupat în primul rând de întrebarea care sunt exact razele pe care le-a descoperit.

După o serie întreagă de studii experimentale, omul de știință a aflat că razele X sunt unde intermediare între radiațiile ultraviolete și gama, a căror lungime este de 10 -8 cm.

Proprietățile fasciculului de raze X, care sunt enumerate mai sus, au proprietăți distructive, dar acest lucru nu împiedică utilizarea lor în scopuri utile.

Deci unde lumea modernă poti folosi radiografii?

1. Ele pot fi folosite pentru a studia proprietățile multor molecule și formațiuni cristaline.
2. Pentru detectarea defectelor, adică pentru a verifica piesele și dispozitivele industriale pentru defecte.
3. În industria medicală și cercetarea terapeutică.

Datorită lungimii scurte ale întregii game a acestor unde și a proprietăților lor unice, cea mai importantă aplicare a radiației descoperite de Wilhelm Roentgen a devenit posibilă.

Deoarece subiectul articolului nostru se limitează la impactul razelor X asupra corpului uman, care le întâlnește doar atunci când merge la spital, atunci vom lua în considerare doar această ramură de aplicare.

Omul de știință care a inventat razele X le-a făcut un cadou de neprețuit pentru întreaga populație a Pământului, deoarece nu și-a brevetat descendenții pentru utilizare ulterioară.

De la primul război mondial, aparatele portabile cu raze X au salvat sute de vieți rănite. Astăzi, razele X au două aplicații principale:

1. Diagnosticul cu el.

Diagnosticarea cu raze X este utilizată în diferite opțiuni:

• radiografie sau transiluminare;
• radiografie sau fotografie;
• studiu fluorografic;
• tomografie cu raze X.

Acum trebuie să înțelegem cum diferă aceste metode unele de altele:

1. Prima metodă presupune că subiectul este situat între un ecran special cu o proprietate fluorescentă și un tub cu raze X. Medicul, pe baza caracteristicilor individuale, selectează puterea necesară a razelor și primește o imagine a oaselor și a organelor interne pe ecran.
2. În a doua metodă, pacientul este plasat pe o peliculă specială cu raze X într-o casetă. În acest caz, echipamentul este plasat deasupra persoanei. Această tehnică vă permite să obțineți o imagine în negativ, dar cu detalii mai fine decât cu fluoroscopie.
3. Examinările în masă ale populației pentru boli pulmonare permit fluorografia. În momentul procedurii, imaginea este transferată de pe un monitor mare pe un film special.
4. Tomografia vă permite să obțineți imagini ale organelor interne în mai multe secțiuni. Sunt luate o serie întreagă de imagini, care sunt denumite în continuare tomograme.
5. Dacă conectați ajutorul unui computer la metoda anterioară, atunci programele specializate vor crea o imagine completă realizată cu ajutorul unui scanner cu raze X.

Toate aceste metode de diagnosticare a problemelor de sănătate se bazează pe proprietatea unică a razelor X de a ilumina filmul fotografic. În același timp, capacitatea de penetrare a țesuturilor inerte și a altor țesuturi ale corpului nostru este diferită, ceea ce este afișat în imagine.

După ce a fost descoperită o altă proprietate a razelor X de a influența țesuturile din punct de vedere biologic, această caracteristică a început să fie utilizată activ în terapia tumorală.

Celulele, în special cele maligne, se divid foarte repede, iar proprietatea ionizantă a radiațiilor are un efect pozitiv asupra terapiei terapeutice și încetinește creșterea tumorii.

Dar cealaltă parte a monedei este Influență negativă raze X asupra celulelor sistemului hematopoietic, endocrin și imunitar, care, de asemenea, se divid rapid. Ca urmare a influenței negative a razelor X, boala radiațiilor se manifestă.

Efectul razelor X asupra corpului uman

Literal, imediat după o descoperire atât de puternică în lumea științifică, a devenit cunoscut faptul că razele X pot afecta corpul uman:

1. În timpul cercetărilor privind proprietățile razelor X, s-a dovedit că acestea sunt capabile să provoace arsuri pe piele. Foarte asemănător cu termicul. Cu toate acestea, adâncimea leziunii a fost mult mai mare decât leziunile domestice și s-au vindecat mai rău. Mulți oameni de știință care se ocupă de aceste radiații insidioase și-au pierdut degetele.
2. Prin încercare și eroare, s-a constatat că dacă reduceți timpul și vița de înzestrare, atunci arsurile pot fi evitate. Ulterior, au început să fie folosite ecranele cu plumb și metoda de la distanță de iradiere a pacienților.
3. Perspectiva pe termen lung a nocivității razelor arată că modificările în compoziția sângelui după iradiere duc la leucemie și îmbătrânire timpurie.
4. Gradul de severitate al impactului razelor X asupra corpului uman depinde direct de organul iradiat. Deci, cu raze X ale pelvisului mic, poate apărea infertilitatea, iar cu diagnosticarea organelor hematopoietice - boli de sânge.
5. Chiar și cele mai nesemnificative expuneri, dar pe o perioadă lungă de timp, pot duce la modificări la nivel genetic.

Desigur, toate studiile au fost efectuate pe animale, dar oamenii de știință au demonstrat că modificările patologice se vor aplica și la oameni.

IMPORTANT! Pe baza datelor obținute, au fost elaborate standarde de expunere la raze X, care sunt uniforme în întreaga lume.

Doze de raze X pentru diagnostic

Probabil, toți cei care părăsesc cabinetul medicului după o radiografie se întreabă cum le va afecta această procedură sănătatea viitoare?

Expunerea la radiații există și în natură și o întâlnim zilnic. Pentru a înțelege mai ușor cum ne afectează razele X corpul, comparăm această procedură cu radiațiile naturale primite:

• cu radiografie cufăr o persoană primește o doză de radiații echivalentă cu 10 zile de expunere de fundal, iar stomacul sau intestinele - 3 ani;
• tomograma pe computer a cavității abdominale sau a întregului corp - echivalentul a 3 ani de radiații;
• examinare la radiografie toracică - 3 luni;
• membrele sunt iradiate, practic fără a dăuna sănătății;
• radiografie dentară datorită direcției precise a fasciculului și a timpului minim de expunere nu este, de asemenea, periculoasă.

IMPORTANT! În ciuda faptului că datele furnizate, oricât de înfricoșătoare ar suna, îndeplinesc cerințele internaționale. Cu toate acestea, pacientul are tot dreptul să ceară mijloace suplimentare de protecție în caz de teamă puternică pentru bunăstarea lui.

Cu toții ne confruntăm cu examinarea cu raze X și de mai multe ori. Cu toate acestea, o categorie de persoane în afara procedurilor prescrise sunt femeile însărcinate.

Cert este că razele X afectează extrem de mult sănătatea copilului nenăscut. Aceste unde pot provoca malformații intrauterine ca urmare a efectului asupra cromozomilor.

IMPORTANT! Cea mai periculoasă perioadă pentru radiografii este sarcina înainte de 16 săptămâni. În această perioadă, cele mai vulnerabile sunt regiunile pelviane, abdominale și vertebrale ale bebelușului.

Știind despre această proprietate negativă a razelor X, medicii din întreaga lume încearcă să evite să o prescrie femeilor însărcinate.

Dar există și alte surse de radiații pe care o femeie însărcinată le poate întâlni:

• microscoape alimentate cu energie electrică;
• monitoare TV color.

Cei care se pregătesc să devină mamă trebuie să fie conștienți de pericolul care le așteaptă. În timpul alăptării, razele X nu reprezintă o amenințare pentru corpul alăptării și a copilului.

Dar după radiografie?

Chiar și cele mai minore efecte ale expunerii la raze X pot fi minimizate urmând câteva recomandări simple:

• beți lapte imediat după procedură. După cum știți, este capabil să elimine radiațiile;
• vinul alb sec sau sucul de struguri are aceleași proprietăți;
• este de dorit la început să mănânci mai multe alimente care conțin iod.

IMPORTANT! Nu trebuie să recurgeți la nicio procedură medicală sau să utilizați metode medicale după ce ați vizitat camera de radiografie.

Indiferent cât de negative ar fi proprietățile razelor X odată descoperite, beneficiile utilizării lor depășesc cu mult rău. În instituțiile medicale, procedura de transiluminare se efectuează rapid și cu doze minime.

RADIAȚII RX
radiații invizibile capabile să pătrundă, deși în grade diferite, toate substanțele. Este o radiație electromagnetică cu o lungime de undă de aproximativ 10-8 cm.Ca și lumina vizibilă, razele X provoacă înnegrirea filmului fotografic. Această proprietate este de mare importanță pentru medicină, industrie și cercetarea științifică. Trecând prin obiectul studiat și apoi căzând pe film, radiația cu raze X își descrie structura internă pe acesta. Deoarece puterea de penetrare a radiației X este diferită pentru diferite materiale, părțile obiectului care sunt mai puțin transparente pentru acesta oferă zone mai luminoase în fotografie decât cele prin care radiația pătrunde bine. Astfel, țesuturile osoase sunt mai puțin transparente la razele X decât țesuturile care alcătuiesc pielea și organele interne. Prin urmare, pe radiografie, oasele vor fi indicate ca zone mai ușoare, iar locul fracturii, care este mai transparent pentru radiații, poate fi detectat destul de ușor. Imagistica cu raze X este, de asemenea, utilizată în stomatologie pentru a detecta carii și abcese la rădăcinile dinților, precum și în industrie pentru a detecta fisuri în piese turnate, materiale plastice și cauciucuri. Razele X sunt folosite în chimie pentru a analiza compuși și în fizică pentru a studia structura cristalelor. Un fascicul de raze X care trece printr-un compus chimic provoacă o radiație secundară caracteristică, a cărei analiză spectroscopică permite chimistului să determine compoziția compusului. Când cade pe o substanță cristalină, un fascicul de raze X este împrăștiat de atomii cristalului, dând un model clar, regulat de pete și dungi pe o placă fotografică, ceea ce face posibilă stabilirea structurii interne a cristalului. Utilizarea razelor X în tratamentul cancerului se bazează pe faptul că ucide celulele canceroase. Cu toate acestea, poate avea și un efect nedorit asupra celulelor normale. Prin urmare, trebuie avută o precauție extremă în această utilizare a razelor X. Radiația cu raze X a fost descoperită de fizicianul german W. Roentgen (1845-1923). Numele său este imortalizat în alți termeni fizici asociați cu această radiație: unitatea internațională de doză de radiații ionizante se numește roentgen; o fotografie făcută cu un aparat cu raze X se numește radiografie; Domeniul medicinei radiologice care utilizează raze X pentru a diagnostica și trata bolile se numește radiologie. Roentgen a descoperit radiația în 1895 în timp ce era profesor de fizică la Universitatea din Würzburg. În timp ce efectua experimente cu raze catodice (fluxurile de electroni în tuburile cu descărcare), el a observat că un ecran situat în apropierea tubului vidat, acoperit cu cianoplatinită de bariu cristalin, strălucește puternic, deși tubul în sine este acoperit cu carton negru. Roentgen a mai stabilit că puterea de penetrare a razelor necunoscute pe care le-a descoperit, pe care le-a numit raze X, depindea de compoziția materialului absorbant. De asemenea, și-a imaginat oasele propriei mâini, plasându-l între un tub cu descărcare cu raze catodice și un ecran acoperit cu cianoplatinită de bariu. Descoperirea lui Roentgen a fost urmată de experimente ale altor cercetători care au descoperit multe proprietăți și aplicații noi ale acestei radiații. O mare contribuție au avut-o M. Laue, W. Friedrich și P. Knipping, care au demonstrat în 1912 difracția razelor X atunci când aceasta trece printr-un cristal; W. Coolidge, care în 1913 a inventat un tub cu raze X cu vid înalt cu catod încălzit; G. Moseley, care a stabilit în 1913 relația dintre lungimea de undă a radiației și numărul atomic al unui element; G. și L. Braggy, care au primit Premiul Nobel în 1915 pentru dezvoltarea bazelor analizei difracției cu raze X.
OBȚINEREA RADIAȚIILOR X
Radiația de raze X apare atunci când electronii care se mișcă la viteze mari interacționează cu materia. Când electronii se ciocnesc cu atomii oricărei substanțe, ei își pierd rapid energia cinetică. În acest caz, cea mai mare parte este transformată în căldură, iar o mică fracțiune, de obicei mai mică de 1%, este transformată în energie de raze X. Această energie este eliberată sub formă de cuante - particule numite fotoni care au energie, dar au masa de repaus zero. Fotonii cu raze X diferă în ceea ce privește energia lor, care este invers proporțională cu lungimea de undă. Cu metoda convențională de obținere a razelor X se obține o gamă largă de lungimi de undă, care se numește spectru de raze X. Spectrul conține componente pronunțate, așa cum se arată în Fig. 1. Un „continuum” larg se numește spectru continuu sau radiație albă. Vârfurile ascuțite suprapuse pe acesta se numesc linii caracteristice de emisie de raze X. Deși întregul spectru este rezultatul ciocnirilor electronilor cu materia, mecanismele de apariție a părții sale largi și a liniilor sunt diferite. Substanța este alcătuită din un numar mare atomi, fiecare dintre care are un nucleu înconjurat de învelișuri de electroni, iar fiecare electron din învelișul unui atom al unui element dat ocupă un anumit nivel de energie discret. De obicei, aceste învelișuri, sau niveluri de energie, sunt notate prin simbolurile K, L, M etc., începând de la învelișul cel mai apropiat de nucleu. Când un electron incident de energie suficient de mare se ciocnește cu unul dintre electronii legați de atom, acesta scoate acel electron din învelișul său. Spațiul gol este ocupat de un alt electron din înveliș, ceea ce corespunde unei energii superioare. Acesta din urmă emite energie în exces prin emiterea unui foton de raze X. Deoarece electronii învelișului au valori de energie discrete, fotonii de raze X rezultați au, de asemenea, un spectru discret. Aceasta corespunde unor vârfuri ascuțite pentru anumite lungimi de undă, ale căror valori specifice depind de elementul țintă. Liniile caracteristice formează seriile K, L și M, în funcție de învelișul (K, L sau M) din care a fost îndepărtat electronul. Relația dintre lungimea de undă a razelor X și numărul atomic se numește legea lui Moseley (Fig. 2).

Dacă un electron se ciocnește cu un nucleu relativ greu, atunci acesta încetinește, iar energia sa cinetică este eliberată sub forma unui foton de raze X de aproximativ aceeași energie. Dacă zboară pe lângă nucleu, el își va pierde doar o parte din energia, iar restul va fi transferat altor atomi care îi cad în cale. Fiecare act de pierdere de energie duce la emisia unui foton cu ceva energie. Apare un spectru continuu de raze X, a cărui limită superioară corespunde energiei celui mai rapid electron. Acesta este mecanismul de formare a unui spectru continuu, iar energia maximă (sau lungimea de undă minimă) care fixează limita spectrului continuu este proporțională cu tensiunea de accelerare, care determină viteza electronilor incidenti. Liniile spectrale caracterizează materialul țintei bombardate, în timp ce spectrul continuu este determinat de energia fasciculului de electroni și practic nu depinde de materialul țintă. Razele X pot fi obținute nu numai prin bombardarea cu electroni, ci și prin iradierea țintei cu raze X din altă sursă. În acest caz, totuși, cea mai mare parte a energiei fasciculului incident intră în spectrul caracteristic de raze X și o fracțiune foarte mică din acesta intră în spectrul continuu. Evident, fasciculul de raze X incident trebuie să conţină fotoni a căror energie este suficientă pentru a excita liniile caracteristice ale elementului bombardat. Procentul mare de energie pe spectru caracteristic face ca această metodă de excitare cu raze X să fie convenabilă pentru cercetarea științifică.
tuburi cu raze X. Pentru a obține radiații de raze X datorită interacțiunii electronilor cu materia, este necesar să existe o sursă de electroni, mijloace de accelerare a acestora la viteze mari și o țintă capabilă să reziste la bombardamentul cu electroni și să producă radiații de raze X de intensitatea cerută. Aparatul care are toate acestea se numește tub cu raze X. Exploratorii timpurii au folosit tuburi cu „vid adânc”, cum ar fi tuburile cu descărcare de astăzi. Vidul din ele nu era foarte mare. Tuburile de descărcare conțin o cantitate mică de gaz, iar atunci când se aplică o diferență mare de potențial electrozilor tubului, atomii de gaz se transformă în ioni pozitivi și negativi. Cei pozitivi se deplasează spre electrodul negativ (catod) și, căzând peste el, scot electroni din el, iar ei, la rândul lor, se deplasează către electrodul pozitiv (anod) și, bombardându-l, creează un flux de fotoni de raze X. . În tubul modern cu raze X dezvoltat de Coolidge (Fig. 3), sursa de electroni este un catod de wolfram încălzit la o temperatură ridicată. Electronii sunt accelerați la viteze mari de diferența mare de potențial dintre anod (sau anticatod) și catod. Deoarece electronii trebuie să ajungă la anod fără a se ciocni cu atomii, este necesar un vid foarte mare, pentru care tubul trebuie bine evacuat. Acest lucru reduce, de asemenea, probabilitatea de ionizare a atomilor de gaz rămași și a curenților laterali asociați.

Electronii sunt focalizați pe anod printr-un electrod cu formă specială care înconjoară catodul. Acest electrod se numește electrod de focalizare și împreună cu catodul formează „proiectorul electronic” al tubului. Anodul supus bombardamentului electronic trebuie să fie realizat dintr-un material refractar, deoarece cea mai mare parte a energiei cinetice a electronilor de bombardare este transformată în căldură. În plus, este de dorit ca anodul să fie realizat dintr-un material cu un număr atomic ridicat, deoarece randamentul razelor X crește odată cu creșterea numărului atomic. Cel mai adesea se alege ca material anod wolfram, al cărui număr atomic este 74. Designul tuburilor cu raze X poate fi diferit în funcție de condițiile și cerințele de aplicare.
DETECȚIA RACII X
Toate metodele de detectare a razelor X se bazează pe interacțiunea lor cu materia. Detectoarele pot fi de două tipuri: cele care dau o imagine și cele care nu. Primele includ dispozitive de fluorografie și fluoroscopie cu raze X, în care fasciculul de raze X trece prin obiectul studiat, iar radiația transmisă intră în ecranul sau filmul luminescent. Imaginea apare datorită faptului că diferite părți ale obiectului studiat absorb radiația în moduri diferite - în funcție de grosimea substanței și de compoziția acesteia. În detectoarele cu ecran luminiscent, energia razelor X este transformată într-o imagine direct observabilă, în timp ce în radiografie este înregistrată pe o emulsie sensibilă și poate fi observată doar după ce filmul a fost dezvoltat. Al doilea tip de detectoare include o mare varietate de dispozitive în care energia razelor X este convertită în semnale electrice care caracterizează intensitatea relativă a radiației. Acestea includ camere de ionizare, un contor Geiger, un contor proporțional, un contor de scintilație și niște detectoare speciali bazate pe sulfură și seleniră de cadmiu. În prezent, contoarele de scintilație pot fi considerate cele mai eficiente detectoare, care funcționează bine într-o gamă largă de energie.
Vezi si DETECTOARE DE PARTICULE . Detectorul este selectat ținând cont de condițiile problemei. De exemplu, dacă este necesar să se măsoare cu precizie intensitatea radiației de raze X difractate, atunci se folosesc contoare care permit măsurătorilor să fie făcute cu o precizie de fracțiuni de procent. Dacă este necesar să se înregistreze o mulțime de fascicule difractate, atunci este recomandabil să se utilizeze film cu raze X, deși în acest caz este imposibil să se determine intensitatea cu aceeași precizie.
DEFECTOSCOPIE CU RAZE X ȘI GAMMA
Una dintre cele mai comune aplicații ale razelor X în industrie este controlul calității materialelor și detectarea defectelor. Metoda cu raze X este nedistructivă, astfel încât materialul testat, dacă se constată că îndeplinește cerințele cerute, poate fi apoi utilizat în scopul propus. Atât detectarea cu raze X, cât și pe defectele gamma se bazează pe puterea de penetrare a razelor X și pe caracteristicile absorbției acestora în materiale. Puterea de penetrare este determinată de energia fotonilor de raze X, care depinde de tensiunea de accelerare din tubul de raze X. Prin urmare, probele groase și probele din metale grele, precum aurul și uraniul, necesită o sursă de raze X cu o tensiune mai mare pentru studiul lor, iar pentru probele subțiri este suficientă o sursă cu o tensiune mai mică. Pentru detectarea defectelor cu raze gamma a piesei turnate foarte mari și a produselor laminate mari, se folosesc betatroni și acceleratori liniari, care accelerează particulele la energii de 25 MeV și mai mult. Absorbția razelor X într-un material depinde de grosimea absorbantului d și de coeficientul de absorbție m și este determinată de formula I = I0e-md, unde I este intensitatea radiației transmise prin absorbant, I0 este intensitatea radiației incidente, iar e = 2,718 este baza logaritmilor naturali. Pentru un material dat, la o lungime de undă (sau energie) dată a razelor X, coeficientul de absorbție este o constantă. Dar radiația unei surse de raze X nu este monocromatică, ci conține un spectru larg de lungimi de undă, drept urmare absorbția la aceeași grosime a absorbantului depinde de lungimea de undă (frecvența) radiației. Radiația cu raze X este utilizată pe scară largă în toate industriile asociate cu prelucrarea metalelor prin presiune. De asemenea, este folosit pentru a testa butoaie de artilerie, produse alimentare, materiale plastice, pentru a testa dispozitive și sisteme complexe în inginerie electronică. (Neutronografia, care folosește fascicule de neutroni în loc de raze X, este folosită în scopuri similare.) Razele X sunt, de asemenea, utilizate în alte scopuri, cum ar fi examinarea picturilor pentru a determina autenticitatea lor sau detectarea straturi suplimentare de vopsea deasupra stratului principal. .
DIFRACȚIE CU RAZE X
Difracția cu raze X oferă informații importante despre solide - structura lor atomică și forma cristalină - precum și despre lichide, corpuri amorfe și molecule mari. Metoda difracției este, de asemenea, utilizată pentru determinarea precisă (cu o eroare mai mică de 10-5) a distanțelor interatomice, detectarea tensiunilor și a defectelor și pentru determinarea orientării monocristalelor. Modelul de difracție poate identifica materiale necunoscute, precum și detecta prezența impurităților în probă și le poate determina. Importanța metodei de difracție cu raze X pentru progresul fizicii moderne poate fi cu greu supraestimată, deoarece înțelegerea modernă a proprietăților materiei se bazează în cele din urmă pe date despre aranjarea atomilor în diverși compuși chimici, despre natura legăturilor. între ele și pe defecte structurale. Instrumentul principal pentru obținerea acestor informații este metoda difracției cu raze X. Cristalografia cu difracție de raze X este esențială pentru determinarea structurilor moleculelor mari complexe, cum ar fi cele ale acidului dezoxiribonucleic (ADN), materialul genetic al organismelor vii. Imediat după descoperirea radiațiilor cu raze X, interesul științific și medical s-a concentrat atât asupra capacității acestei radiații de a pătrunde prin corpuri, cât și asupra naturii sale. Experimentele privind difracția razelor X pe fante și rețele de difracție au arătat că aceasta aparține radiației electromagnetice și are o lungime de undă de ordinul 10-8-10-9 cm Chiar și mai devreme, oamenii de știință, în special W. Barlow, au ghicit că forma regulată și simetrică a cristalelor naturale se datorează dispunerii ordonate a atomilor care formează cristalul. În unele cazuri, Barlow a reușit să prezică corect structura unui cristal. Valoarea distantelor interatomice prezise a fost de 10-8 cm Faptul ca distantele interatomice s-au dovedit a fi de ordinul lungimii de unda a razelor X a facut posibila in principiu observarea difractiei lor. Rezultatul a fost ideea unuia dintre cele mai importante experimente din istoria fizicii. M. Laue a organizat un test experimental al acestei idei, care a fost realizat de colegii săi W. Friedrich și P. Knipping. În 1912, cei trei și-au publicat lucrările despre rezultatele difracției cu raze X. Principiile difracției de raze X. Pentru a înțelege fenomenul difracției cu raze X, trebuie să luăm în considerare în ordine: în primul rând, spectrul razelor X, în al doilea rând, natura structurii cristaline și, în al treilea rând, fenomenul de difracție în sine. După cum s-a menționat mai sus, radiația caracteristică de raze X constă dintr-o serie de linii spectrale cu un grad ridicat de monocromaticitate, determinate de materialul anodului. Cu ajutorul filtrelor, puteți selecta cel mai intens dintre ele. Prin urmare, prin alegerea materialului anodic într-un mod adecvat, se poate obține o sursă de radiație aproape monocromatică cu o valoare a lungimii de undă foarte precis definită. Lungimile de undă ale radiației caracteristice variază de obicei de la 2,285 pentru crom până la 0,558 pentru argint (valorile pentru diferitele elemente sunt cunoscute de șase cifre semnificative). Spectrul caracteristic se suprapune unui spectru continuu „alb” de intensitate mult mai redusa, datorita decelerarii electronilor incidenti in anod. Astfel, din fiecare anod se pot obține două tipuri de radiații: caracteristică și bremsstrahlung, fiecare dintre ele joacă un rol important în felul său. Atomii din structura cristalină sunt localizați la intervale regulate, formând o secvență de celule identice - o rețea spațială. Unele rețele (de exemplu, pentru majoritatea metalelor obișnuite) sunt destul de simple, în timp ce altele (de exemplu, pentru moleculele de proteine) sunt destul de complexe. Structura cristalină se caracterizează prin următoarele: dacă se trece de la un punct dat al unei celule la punctul corespunzător al celulei vecine, atunci se va găsi exact același mediu atomic. Și dacă un atom este situat într-unul sau altul punct al unei celule, atunci același atom va fi localizat în punctul echivalent al oricărei celule învecinate. Acest principiu este strict valabil pentru un cristal perfect, ordonat ideal. Cu toate acestea, multe cristale (de exemplu, soluții solide metalice) sunt dezordonate într-o oarecare măsură; locuri echivalente cristalografic pot fi ocupate de diferiți atomi. În aceste cazuri, nu poziția fiecărui atom este determinată, ci doar poziția unui atom „mediată statistic” pe un număr mare de particule (sau celule). Fenomenul difracției este discutat în articolul OPTICS și cititorul se poate referi la acest articol înainte de a trece mai departe. Arată că, dacă undele (de exemplu, sunet, lumină, raze X) trec printr-o fantă sau o gaură mică, atunci aceasta din urmă poate fi considerată o sursă secundară de unde, iar imaginea fantei sau a găurii constă în lumină alternativă. și dungi întunecate. În plus, dacă există o structură periodică de găuri sau fante, atunci ca rezultat al interferenței de amplificare și atenuare a razelor care provin din diferite găuri, apare un model de difracție clar. Difracția cu raze X este un fenomen colectiv de împrăștiere în care rolul găurilor și al centrelor de împrăștiere este jucat de atomii aranjați periodic ai structurii cristaline. Amplificarea reciprocă a imaginilor lor la anumite unghiuri dă un model de difracție similar cu cel care ar rezulta din difracția luminii pe un rețele de difracție tridimensionale. Imprăștirea are loc datorită interacțiunii radiației X incidente cu electronii din cristal. Datorită faptului că lungimea de undă a radiației de raze X este de aceeași ordine cu dimensiunile atomului, lungimea de undă a radiației de raze X împrăștiate este aceeași cu cea a incidentului. Acest proces este rezultatul oscilațiilor forțate ale electronilor sub acțiunea razelor X incidente. Luați în considerare acum un atom cu un nor de electroni legați (în jurul nucleului) pe care incid razele X. Electronii în toate direcțiile împrăștie simultan incidentul și emit propriile lor radiații de raze X de aceeași lungime de undă, deși de intensitate diferită. Intensitatea radiației împrăștiate este legată de numărul atomic al elementului, deoarece numărul atomic este egal cu numărul de electroni orbitali care pot participa la împrăștiere. (Această dependență a intensității de numărul atomic al elementului de împrăștiere și de direcția în care se măsoară intensitatea este caracterizată de factorul de împrăștiere atomică, care joacă un rol extrem de important în analiza structurii cristalelor.) Să ne alegeți în structura cristalină un lanț liniar de atomi situati la aceeași distanță unul de celălalt și luați în considerare modelul lor de difracție. S-a remarcat deja că spectrul de raze X constă dintr-o parte continuă („continuu”) și un set de linii mai intense caracteristice elementului care este materialul anodic. Să presupunem că am filtrat spectrul continuu și am obținut un fascicul de raze X aproape monocromatic îndreptat către lanțul nostru liniar de atomi. Condiția de amplificare (interferența de amplificare) este îndeplinită dacă diferența dintre căile undelor împrăștiate de atomii învecinați este un multiplu al lungimii de undă. Dacă fasciculul incide într-un unghi a0 cu o linie de atomi separați prin intervale a (perioada), atunci pentru unghiul de difracție a diferența de cale corespunzătoare câștigului se va scrie ca a(cos a - cosa0) = hl, unde l este lungimea de undă și h este întreg (Fig. 4 și 5).

Pentru a extinde această abordare la un cristal tridimensional, este necesar doar să alegeți șiruri de atomi în alte două direcții din cristal și să rezolvați cele trei ecuații astfel obținute împreună pentru trei axe de cristal cu perioadele a, b și c. Celelalte două ecuații sunt

Acestea sunt cele trei ecuații Laue fundamentale pentru difracția cu raze X, numerele h, k și c fiind indicii Miller pentru planul de difracție.
Vezi si CRISTALELE ȘI CRISTALGRAFIA. Luând în considerare oricare dintre ecuațiile Laue, de exemplu prima, se poate observa că, deoarece a, a0, l sunt constante și h = 0, 1, 2, ..., soluția sa poate fi reprezentată ca o mulțime de conuri cu o axă comună a (Fig. . cinci). Același lucru este valabil și pentru direcțiile b și c. În cazul general al împrăștierii tridimensionale (difracție), cele trei ecuații Laue trebuie să aibă o soluție comună, i.e. trei conuri de difracție situate pe fiecare dintre axe trebuie să se intersecteze; linia comună de intersecție este prezentată în fig. 6. Rezolvarea comună a ecuațiilor conduce la legea Bragg-Wulf:

l = 2(d/n)sinq, unde d este distanța dintre planele cu indicii h, k și c (perioada), n = 1, 2, ... sunt numere întregi (ordinea de difracție), iar q este unghiul format prin fascicul incident (precum și prin difracție) cu planul cristalului în care are loc difracția. Analizând ecuația legii Bragg - Wolfe pentru un singur cristal situat pe calea unui fascicul de raze X monocromatic, putem concluziona că difracția nu este ușor de observat, deoarece l și q sunt fixe și sinq METODE DE ANALIZĂ A DIFRACȚIEI
metoda Laue. Metoda Laue folosește un spectru continuu „alb” de raze X, care este direcționat către un singur cristal staționar. Pentru o anumită valoare a perioadei d, lungimea de undă corespunzătoare condiției Bragg-Wulf este selectată automat din întregul spectru. Modelele Laue astfel obținute fac posibilă aprecierea direcțiilor fasciculelor difractate și, în consecință, a orientărilor planurilor cristaline, ceea ce permite, de asemenea, să se tragă concluzii importante despre simetria, orientarea cristalului și prezența. de defecte ale acestuia. În acest caz, totuși, informațiile despre perioada spațială d se pierd. Pe fig. 7 arată un exemplu de Lauegram. Filmul cu raze X a fost situat pe partea opusă a cristalului cu cea pe care a fost incident fasciculul de raze X de la sursă.

Metoda Debye-Scherrer (pentru probe policristaline). Spre deosebire de metoda anterioară, aici se utilizează radiația monocromatică (l = const), iar unghiul q este variat. Acest lucru se realizează prin utilizarea unei probe policristaline constând din numeroase cristalite mici de orientare aleatorie, printre care se numără și cele care satisfac condiția Bragg-Wulf. Fasciculele difractate formează conuri, a căror axă este îndreptată de-a lungul fasciculului de raze X. Pentru imagini, se folosește de obicei o bandă îngustă de film cu raze X într-o casetă cilindrică, iar razele X sunt propagate de-a lungul diametrului prin găurile din film. Debyegrama obtinuta in acest fel (Fig. 8) contine informatii exacte despre perioada d, i.e. despre structura cristalului, dar nu oferă informațiile pe care le conține Lauegrama. Prin urmare, ambele metode se completează reciproc. Să luăm în considerare câteva aplicații ale metodei Debye-Scherrer.

Identificarea elementelor și compușilor chimici. Din unghiul q determinat din Debyegramă, se poate calcula distanța interplanară d caracteristică unui element sau compus dat. În prezent, au fost întocmite multe tabele cu valorile d, care fac posibilă identificarea nu numai a unui element sau compus chimic, ci și a diferitelor stări de fază ale aceleiași substanțe, care nu oferă întotdeauna o analiză chimică. De asemenea, este posibil să se determine conținutul celui de-al doilea component în aliaje de substituție cu mare precizie din dependența perioadei d de concentrație.
Analiza stresului. Pe baza diferenței măsurate în distanțe interplanare pentru diferite direcții în cristale, cunoscând modulul elastic al materialului, este posibil să se calculeze cu mare precizie tensiuni mici în acesta.
Studii de orientare preferenţială în cristale. Dacă cristaliții mici dintr-o probă policristalină nu sunt orientați complet aleatoriu, atunci inelele de pe Debyegram vor avea intensități diferite. În prezența unei orientări preferate pronunțate, maximele de intensitate sunt concentrate în puncte individuale din imagine, care devine similară cu imaginea pentru un singur cristal. De exemplu, în timpul laminarii adânci la rece, o foaie de metal capătă o textură - o orientare pronunțată a cristalitelor. Conform debaygramului, se poate judeca natura prelucrării la rece a materialului.
Studiul granulometriei. Dacă dimensiunea granulelor policristalui este mai mare de 10-3 cm, atunci liniile de pe Debyegram vor consta din pete separate, deoarece în acest caz numărul de cristaliți nu este suficient pentru a acoperi întreaga gamă de valori ale unghiurilor. q. Dacă dimensiunea cristalitului este mai mică de 10-5 cm, atunci liniile de difracție devin mai largi. Lățimea lor este invers proporțională cu dimensiunea cristalitelor. Lărgirea are loc din același motiv că o scădere a numărului de fante reduce rezoluția unui rețele de difracție. Radiația cu raze X face posibilă determinarea dimensiunilor granulelor în intervalul 10-7-10-6 cm.
Metode pentru monocristale. Pentru ca difracția unui cristal să ofere informații nu numai despre perioada spațială, ci și despre orientarea fiecărui set de planuri de difracție, se folosesc metode ale unui singur cristal rotativ. Un fascicul de raze X monocromatic este incident pe cristal. Cristalul se rotește în jurul axei principale, pentru care ecuațiile Laue sunt satisfăcute. În acest caz, unghiul q, care este inclus în formula Bragg-Wulf, se modifică. Maximele de difracție sunt situate la intersecția conurilor de difracție Laue cu suprafața cilindrică a filmului (Fig. 9). Rezultatul este un model de difracție de tipul prezentat în Fig. 10. Cu toate acestea, complicațiile sunt posibile datorită suprapunerii diferitelor ordine de difracție la un moment dat. Metoda poate fi îmbunătățită semnificativ dacă, concomitent cu rotirea cristalului, filmul este de asemenea mutat într-un anumit mod.

Studii de lichide și gaze. Se știe că lichidele, gazele și corpurile amorfe nu au structura cristalină corectă. Dar și aici există o legătură chimică între atomii din molecule, datorită căreia distanța dintre ei rămâne aproape constantă, deși moleculele în sine sunt orientate aleatoriu în spațiu. Asemenea materiale oferă, de asemenea, un model de difracție cu un număr relativ mic de maxime întinse. Prelucrarea unei astfel de imagini prin metode moderne face posibilă obținerea de informații despre structura chiar și a unor astfel de materiale necristaline.
ANALIZA SPECTROCHIMICĂ A RAZE X
La câțiva ani după descoperirea razelor X, Ch. Barkla (1877-1944) a descoperit că atunci când un flux de raze X de înaltă energie acționează asupra unei substanțe, se generează radiație secundară de raze X fluorescente, care este caracteristică elementului. în studiu. La scurt timp după aceea, G. Moseley, într-o serie de experimente ale sale, a măsurat lungimile de undă ale radiației de raze X caracteristice primare obținute prin bombardarea cu electroni a diferitelor elemente și a dedus relația dintre lungimea de undă și numărul atomic. Aceste experimente, precum și invenția lui Bragg a spectrometrului cu raze X, au pus bazele analizei spectrochimice cu raze X. Posibilitățile razelor X pentru analize chimice au fost imediat recunoscute. Spectrografele au fost create cu înregistrare pe o placă fotografică, în care proba studiată a servit drept anod al unui tub cu raze X. Din păcate, această tehnică s-a dovedit a fi foarte laborioasă și, prin urmare, a fost utilizată numai atunci când metodele obișnuite de analiză chimică au fost inaplicabile. Un exemplu remarcabil de cercetare inovatoare în domeniul spectroscopiei analitice cu raze X a fost descoperirea în 1923 de către G. Hevesy și D. Coster a unui nou element, hafniul. Dezvoltarea tuburilor cu raze X de mare putere pentru radiografie și a detectorilor sensibili pentru măsurători radiochimice în timpul celui de-al Doilea Război Mondial a contribuit în mare măsură la creșterea rapidă a spectrografiei cu raze X în următorii ani. Această metodă a devenit larg răspândită datorită vitezei, confortului, caracterului nedistructiv al analizei și posibilității de automatizare totală sau parțială. Este aplicabil în problemele de analiză cantitativă și calitativă a tuturor elementelor cu număr atomic mai mare de 11 (sodiu). Și deși analiza spectrochimică cu raze X este de obicei folosită pentru a determina cele mai importante componente dintr-o probă (de la 0,1-100%), în unele cazuri este potrivită pentru concentrații de 0,005% și chiar mai mici.
spectrometru cu raze X. Un spectrometru modern de raze X este format din trei sisteme principale (Fig. 11): sisteme de excitație, adică. tub cu raze X cu un anod din wolfram sau alt material refractar și o sursă de alimentare; sisteme de analiză, adică un cristal analizor cu două colimatoare cu mai multe fante, precum și un spectrogoniometru pentru reglare fină; și sisteme de înregistrare cu un contor Geiger sau proporțional sau cu scintilație, precum și un redresor, amplificator, contoare și un înregistrator grafic sau alt dispozitiv de înregistrare.

Analiza fluorescentă cu raze X. Proba analizată este situată pe calea razelor X excitante. Regiunea probei de examinat este de obicei izolată de o mască cu o gaură de diametrul dorit, iar radiația trece printr-un colimator care formează un fascicul paralel. În spatele cristalului analizorului, un colimator cu fantă emite radiații difractate pentru detector. De obicei, unghiul maxim q este limitat la 80–85°, astfel încât numai razele X a căror lungime de undă l este legată de distanța interplanară d prin inegalitatea l pot difracta pe cristalul analizorului. Microanaliza cu raze X. Spectrometrul cu cristal analizor plat descris mai sus poate fi adaptat pentru microanaliză. Acest lucru se realizează prin constrângerea fie a fasciculului de raze X primar, fie a fasciculului secundar emis de probă. Cu toate acestea, o scădere a dimensiunii efective a probei sau a deschiderii de radiație duce la o scădere a intensității radiației difractate înregistrate. O îmbunătățire a acestei metode poate fi realizată prin utilizarea unui spectrometru cu cristal curbat, care face posibilă înregistrarea unui con de radiație divergentă, și nu numai a radiației paralele cu axa colimatorului. Cu un astfel de spectrometru, pot fi identificate particule mai mici de 25 µm. O reducere și mai mare a dimensiunii probei analizate este realizată în microanalizatorul cu sondă de electroni cu raze X inventat de R. Kasten. Aici, emisia caracteristică de raze X a probei este excitată de un fascicul de electroni foarte focalizat, care este apoi analizat de un spectrometru cu cristal îndoit. Folosind un astfel de dispozitiv, este posibil să se detecteze cantități de substanță de ordinul 10-14 g într-o probă cu un diametru de 1 μm. Au fost dezvoltate și instalații cu scanare cu fascicul de electroni a probei, cu ajutorul cărora se poate obține un model bidimensional al distribuției pe eșantion a elementului a cărui radiație caracteristică este reglată la spectrometru.
DIAGNOSTIC MEDICAL RENTAJ
Dezvoltarea tehnologiei cu raze X a redus semnificativ timpul de expunere și a îmbunătățit calitatea imaginilor, permițând studierea chiar și a țesuturilor moi.
Fluorografie. Această metodă de diagnosticare constă în fotografiarea unei imagini în umbră de pe un ecran translucid. Pacientul este plasat între o sursă de raze X și un ecran plat de fosfor (de obicei iodură de cesiu), care strălucește atunci când este expus la raze X. Țesuturile biologice de diferite grade de densitate creează umbre de radiație cu raze X cu diferite grade de intensitate. Un radiolog examinează o imagine în umbră pe un ecran fluorescent și pune un diagnostic. În trecut, un radiolog se baza pe viziune pentru a analiza o imagine. Acum există diverse sisteme care amplifică imaginea, o afișează pe un ecran de televizor sau înregistrează date în memoria computerului.
Radiografie.Înregistrarea unei imagini cu raze X direct pe film fotografic se numește radiografie. În acest caz, organul studiat este situat între sursa de raze X și film, care captează informații despre starea organului în acest moment timp. Radiografia repetată face posibilă aprecierea evoluției sale ulterioare. Radiografia vă permite să examinați foarte precis integritatea țesutului osos, care constă în principal din calciu și este opac la raze X, precum și la rupturile țesutului muscular. Cu ajutorul lui, mai bine decat un stetoscop sau ascultare, se analizeaza starea plamanilor in caz de inflamatie, tuberculoza, sau prezenta lichidului. Cu ajutorul radiografiei, se determină dimensiunea și forma inimii, precum și dinamica modificărilor acesteia la pacienții care suferă de boli de inimă.
agenţi de contrast. Părțile corpului și cavitățile organelor individuale care sunt transparente la radiațiile X devin vizibile dacă sunt umplute cu un agent de contrast care este inofensiv pentru organism, dar care permite vizualizarea formei organelor interne și verificarea funcționării acestora. Pacientul fie ia substanțe de contrast pe cale orală (cum ar fi sărurile de bariu în studiul tractului gastrointestinal), fie sunt administrate intravenos (cum ar fi soluțiile care conțin iod în studiul rinichilor și tractului urinar). În ultimii ani însă, aceste metode au fost înlocuite de metode de diagnostic bazate pe utilizarea atomilor radioactivi și a ultrasunetelor.
scanare CT.În anii 1970, a fost dezvoltată o nouă metodă de diagnosticare cu raze X, bazată pe o fotografie completă a corpului sau a părților sale. Imaginile cu straturi subțiri ("slices") sunt procesate de un computer, iar imaginea finală este afișată pe ecranul monitorului. Această metodă se numește tomografie computerizată cu raze X. Este utilizat pe scară largă în medicina modernă pentru diagnosticarea infiltratelor, tumorilor și a altor tulburări ale creierului, precum și pentru diagnosticarea bolilor țesuturilor moi din interiorul corpului. Această tehnică nu necesită introducerea de agenți de contrast străini și, prin urmare, este mai rapidă și mai eficientă decât tehnicile tradiționale.
ACȚIUNEA BIOLOGICĂ A RADIAȚIILOR X
Efectul biologic dăunător al radiațiilor X a fost descoperit la scurt timp după descoperirea sa de către Roentgen. S-a dovedit că noile radiații pot provoca ceva de genul unei arsuri solare severe (eritem), însoțită, totuși, de leziuni mai profunde și mai permanente ale pielii. Ulcerele care apar adesea s-au transformat în cancer. În multe cazuri, degetele sau mâinile au trebuit amputate. Au fost și morți. S-a constatat că leziunile cutanate pot fi evitate prin reducerea timpului de expunere și a dozei, folosind ecrane (de exemplu plumb) și telecomenzi. Dar treptat au fost dezvăluite și alte efecte, mai lungi, ale expunerii la raze X, care au fost apoi confirmate și studiate pe animale de experiment. Efectele datorate acțiunii razelor X, precum și a altor radiații ionizante (cum ar fi radiațiile gamma emise de materialele radioactive) includ: 1) modificări temporare ale compoziției sângelui după o expunere relativ mică în exces; 2) modificări ireversibile ale compoziției sângelui (anemie hemolitică) după expunere excesivă prelungită; 3) o creștere a incidenței cancerului (inclusiv leucemie); 4) îmbătrânire mai rapidă și moarte timpurie; 5) apariția cataractei. În plus, experimentele biologice pe șoareci, iepuri și muște (Drosophila) au arătat că chiar și doze mici de iradiere sistematică a populațiilor mari, datorită creșterii ratei de mutație, duc la efecte genetice dăunătoare. Majoritatea geneticienilor recunosc aplicabilitatea acestor date la corpul uman. În ceea ce privește efectul biologic al radiației cu raze X asupra corpului uman, acesta este determinat de nivelul dozei de radiație, precum și de ce anume organ al corpului a fost expus la radiații. De exemplu, bolile de sânge sunt cauzate de iradierea organelor hematopoietice, în principal a măduvei osoase, și de consecințe genetice - prin iradierea organelor genitale, care poate duce și la sterilitate. Acumularea de cunoștințe despre efectele radiațiilor X asupra organismului uman a condus la elaborarea unor standarde naționale și internaționale pentru dozele admisibile de radiații, publicate în diverse publicații de referință. Pe lângă razele X, care sunt utilizate în mod intenționat de oameni, există și așa-numita radiație laterală împrăștiată, care apare din diverse motive, de exemplu, din cauza împrăștierii din cauza imperfecțiunii ecranului de protecție cu plumb, care nu absorb complet această radiație. În plus, multe dispozitive electrice care nu sunt concepute pentru a produce raze X generează totuși raze X ca produs secundar. Astfel de dispozitive includ microscoape electronice, lămpi redresoare de înaltă tensiune (kenotrone), precum și cinescoape ale televizoarelor color învechite. Producția de kinescoape color moderne în multe țări este acum sub control guvernamental.
FACTORI PERICULOȘI AI RADIAȚIILOR X
Tipurile și gradul de pericol al expunerii la raze X pentru oameni depind de contingentele de persoane expuse la radiații.
Profesioniști care lucrează cu echipamente cu raze X. Această categorie include radiologi, stomatologi, precum și lucrătorii științifici și tehnici și personalul care întreține și utilizează echipamente cu raze X. Se iau măsuri eficiente pentru a reduce nivelurile de radiații cu care trebuie să facă față.
Pacienții. Nu există criterii stricte aici, iar nivelul de siguranță al radiațiilor pe care pacienții îl primesc în timpul tratamentului este determinat de medicii curant. Medicii sunt sfătuiți să nu expună pacienții în mod inutil la raze X. O atenție deosebită trebuie exercitată atunci când se examinează femeile însărcinate și copiii. În acest caz, se iau măsuri speciale.
Metode de control. Există trei aspecte în acest sens:
1) disponibilitatea echipamentului adecvat, 2) aplicarea reglementărilor de siguranță, 3) utilizarea corectă a echipamentului. La o examinare cu raze X, doar zona dorită trebuie expusă la radiații, fie că este vorba de examene dentare sau de plămâni. Rețineți că imediat după oprirea aparatului cu raze X, atât radiațiile primare, cât și cele secundare dispar; De asemenea, nu există radiații reziduale, care nu sunt întotdeauna cunoscute chiar și de cei care sunt conectați direct cu ea în munca lor.
Vezi si
STRUCTURA ATOMULUI;

Razele X au fost descoperite accidental în 1895 de celebrul fizician german Wilhelm Roentgen. El a studiat razele catodice într-un tub cu descărcare în gaz de joasă presiune, cu o tensiune mare între electrozi. Deși tubul era într-o cutie neagră, Roentgen a observat că un ecran fluorescent, care se întâmpla să fie în apropiere, strălucea de fiecare dată când tubul era în funcțiune. Tubul s-a dovedit a fi o sursă de radiații care putea pătrunde hârtie, lemn, sticlă și chiar o placă de aluminiu cu o grosime de jumătate de centimetru.

Raze X au determinat că tubul de descărcare a gazului este o sursă a unui nou tip de radiație invizibilă cu o putere mare de penetrare. Omul de știință nu a putut determina dacă această radiație era un flux de particule sau unde și a decis să-i dea numele de raze X. Mai târziu au fost numite raze X.

Acum se știe că razele X sunt o formă de radiație electromagnetică cu o lungime de undă mai scurtă decât undele electromagnetice ultraviolete. Lungimea de undă a razelor X variază de la 70 nm până la 10 -5 nm. Cu cât lungimea de undă a razelor X este mai mică, cu atât energia fotonilor acestora este mai mare și puterea de penetrare este mai mare. Raze X cu o lungime de undă relativ mare (mai mult de 10 nm), sunt numite moale. Lungime de undă 1 - 10 nm caracterizează greu raze X. Au o mare putere de penetrare.

Obținerea cu raze X

Razele X sunt produse atunci când electronii rapizi sau razele catodice se ciocnesc de pereții sau anodul unui tub cu descărcare de joasă presiune. Un tub modern de raze X este un recipient de sticlă evacuat cu un catod și un anod situat în el. Diferența de potențial dintre catod și anod (anticatod) ajunge la câteva sute de kilovolți. Catodul este un filament de wolfram încălzit de un curent electric. Acest lucru duce la emisia de electroni de către catod ca rezultat al emisiei termoionice. Electronii sunt accelerați de un câmp electric într-un tub cu raze X. Deoarece există un număr foarte mic de molecule de gaz în tub, electronii practic nu își pierd energia în drumul lor către anod. Ele ajung la anod cu foarte de mare viteză.

Razele X sunt întotdeauna produse atunci când electronii de mare viteză sunt întârziați de materialul anodului. Cea mai mare parte a energiei electronilor este disipată sub formă de căldură. Prin urmare, anodul trebuie răcit artificial. Anodul din tubul cu raze X trebuie să fie realizat dintr-un metal cu un punct de topire ridicat, cum ar fi wolfram.

O parte din energia care nu este disipată sub formă de căldură este transformată în energie undele electromagnetice(Raze X). Astfel, razele X sunt rezultatul bombardării cu electroni a materialului anodic. Există două tipuri de raze X: bremsstrahlung și caracteristice.

Bremsstrahlung radiografie

Bremsstrahlung apare atunci când electronii care se mișcă cu viteză mare sunt decelerati de câmpurile electrice ale atomilor anodici. Condițiile de decelerare ale electronilor individuali nu sunt aceleași. Ca rezultat, diferite părți ale energiei lor cinetice trec în energia razelor X.

Spectrul bremsstrahlung este independent de natura materialului anodului. După cum știți, energia fotonilor cu raze X determină frecvența și lungimea de undă a acestora. Prin urmare, razele X bremsstrahlung nu sunt monocromatice. Se caracterizează printr-o varietate de lungimi de undă care pot fi reprezentate spectru continuu (continuu).

Razele X nu pot avea o energie mai mare decât energia cinetică a electronilor care le formează. Cea mai scurtă lungime de undă de raze X corespunde energiei cinetice maxime a electronilor în decelerare. Cu cât este mai mare diferența de potențial în tubul cu raze X, cu atât se pot obține lungimi de undă mai mici.

Raze X caracteristice

Radiația caracteristică cu raze X nu este continuă, dar spectrul de linii. Acest tip de radiație apare atunci când un electron rapid, la atingerea anodului, intră în orbitalii interiori ai atomilor și elimină unul dintre electronii acestora. Ca urmare, apare un spațiu liber, care poate fi umplut de un alt electron care coboară de pe unul dintre orbitalii atomici superiori. Această tranziție a unui electron de la un nivel de energie mai înalt la un nivel inferior determină raze X cu o anumită lungime de undă discretă. Prin urmare, radiația caracteristică cu raze X are spectrul de linii. Frecvența liniilor de radiație caracteristice depinde în întregime de structura orbitalilor electronilor atomilor anodici.

Liniile spectrale ale radiației caracteristice ale diferitelor elemente chimice au aceeași formă, deoarece structura orbitelor lor interne de electroni este identică. Dar lungimea și frecvența lor de undă se datorează diferențelor de energie dintre orbitalii interiori ai atomilor grei și ușori.

Frecvența liniilor spectrului caracteristic de raze X se modifică în funcție de numărul atomic al metalului și este determinată de ecuația Moseley: v 1/2 = A(Z-B), Unde Z- numărul atomic al unui element chimic, AȘi B- constante.

Mecanisme fizice primare de interacțiune a razelor X cu materia

Interacțiunea primară dintre razele X și materie este caracterizată de trei mecanisme:

1. Imprăștire coerentă. Această formă de interacțiune apare atunci când fotonii cu raze X au mai puțină energie decât energia de legare a electronilor la nucleul unui atom. În acest caz, energia fotonului nu este suficientă pentru a elibera electroni din atomii materiei. Fotonul nu este absorbit de atom, ci schimbă direcția de propagare. În acest caz, lungimea de undă a radiației X rămâne neschimbată.

2. Efect fotoelectric (efect fotoelectric). Când un foton cu raze X ajunge la un atom de materie, poate elimina unul dintre electroni. Acest lucru se întâmplă atunci când energia fotonului depășește energia de legare a electronului cu nucleul. În acest caz, fotonul este absorbit, iar electronul este eliberat din atom. Dacă un foton transportă mai multă energie decât este necesară pentru a elibera un electron, acesta va transfera energia rămasă electronului eliberat sub formă de energie cinetică. Acest fenomen, numit efect fotoelectric, apare atunci când sunt absorbite razele X cu energie relativ scăzută.

Un atom care își pierde unul dintre electroni devine un ion pozitiv. Durata de viață a electronilor liberi este foarte scurtă. Sunt absorbiți de atomi neutri, care se transformă în ioni negativi. Rezultatul efectului fotoelectric este ionizarea intensă a materiei.

Dacă energia unui foton cu raze X este mai mică decât energia de ionizare a atomilor, atunci atomii intră într-o stare excitată, dar nu sunt ionizați.

3. Imprăștire incoerentă (efect Compton). Acest efect a fost descoperit de fizicianul american Compton. Apare atunci când o substanță absoarbe raze X de lungime de undă mică. Energia fotonică a unor astfel de raze X este întotdeauna mai mare decât energia de ionizare a atomilor substanței. Efectul Compton este rezultatul interacțiunii unui foton de raze X de înaltă energie cu unul dintre electronii din învelișul exterior al unui atom, care are o legătură relativ slabă cu nucleul atomic.

Un foton de înaltă energie transferă o parte din energia sa către electron. Electronul excitat este eliberat din atom. Restul energiei fotonului original este emisă ca un foton cu raze X cu o lungime de undă mai mare la un anumit unghi față de direcția fotonului primar. Un foton secundar poate ioniza un alt atom și așa mai departe. Aceste modificări ale direcției și lungimii de undă a razelor X sunt cunoscute ca efect Compton.

Unele efecte ale interacțiunii razelor X cu materia

După cum am menționat mai sus, razele X sunt capabile să excite atomii și moleculele materiei. Acest lucru poate cauza fluorescența anumitor substanțe (de exemplu sulfat de zinc). Dacă un fascicul paralel de raze X este îndreptat către obiecte opace, atunci se poate observa că razele trec prin obiect prin plasarea unui ecran acoperit cu o substanță fluorescentă.

Ecranul fluorescent poate fi înlocuit cu folie fotografică. Razele X au același efect asupra emulsiei fotografice ca și lumina. Ambele metode sunt utilizate în medicina practică.

Un alt efect important al razelor X este capacitatea lor de ionizare. Depinde de lungimea de undă și de energia lor. Acest efect oferă o metodă de măsurare a intensității razelor X. Când razele X trec prin camera de ionizare, se generează un curent electric, a cărui mărime este proporțională cu intensitatea razelor X.

Absorbția razelor X de către materie

Când razele X trec prin materie, energia lor scade din cauza absorbției și împrăștierii. Scăderea intensității unui fascicul paralel de raze X care trece printr-o substanță este determinată de legea lui Bouguer: I = I0 e -μd, Unde eu 0- intensitatea inițială a radiațiilor X; eu este intensitatea razelor X care trec prin stratul de materie, d- grosimea stratului absorbant , μ - coeficient liniar de atenuare. Este egală cu suma a două mărimi: t- coeficientul de absorbţie liniar şi σ - coeficient de împrăștiere liniar: μ = τ+ σ

În experimente, s-a descoperit că coeficientul de absorbție liniar depinde de numărul atomic al substanței și de lungimea de undă a razelor X:

τ = kρZ 3 λ 3, Unde k- coeficient de proporționalitate directă, ρ - densitatea substanței, Z este numărul atomic al elementului, λ este lungimea de undă a razelor X.

Dependența de Z este foarte importantă din punct de vedere practic. De exemplu, coeficientul de absorbție al oaselor, care sunt compuse din fosfat de calciu, este de aproape 150 de ori mai mare decât coeficientul de absorbție al țesuturilor moi ( Z=20 pentru calciu și Z=15 pentru fosfor). Când razele X trec prin corpul uman, oasele ies în evidență clar pe fundalul mușchilor, țesut conjunctiv etc.

Se știe că organele digestive au același coeficient de absorbție ca și alte țesuturi moi. Dar umbra esofagului, stomacului și intestinelor poate fi distinsă dacă pacientul ingerează un agent de contrast - sulfat de bariu ( Z= 56 pentru bariu). Sulfatul de bariu este foarte opac la raze X și este adesea folosit pentru examinările cu raze X ale tractului gastrointestinal. Anumite amestecuri opace sunt injectate în fluxul sanguin pentru a examina starea vaselor de sânge, a rinichilor și altele asemenea. În acest caz, iodul este folosit ca agent de contrast, al cărui număr atomic este 53.

Dependența absorbției de raze X de Z folosit și pentru a proteja împotriva posibilelor efecte nocive ale razelor X. În acest scop, se utilizează plumb, valoarea Z pentru care este 82.

Utilizarea razelor X în medicină

Motivul pentru utilizarea razelor X în diagnosticare a fost puterea lor mare de penetrare, una dintre principalele Proprietăți de raze X. În primele zile ale descoperirii, razele X au fost folosite în principal pentru a examina fracturile osoase și pentru a localiza corpuri străine (cum ar fi gloanțe) în corpul uman. În prezent, se folosesc mai multe metode de diagnosticare cu raze X (diagnosticare cu raze X).

Fluoroscopie . Un dispozitiv de raze X constă dintr-o sursă de raze X (tub de raze X) și un ecran fluorescent. După ce razele X trec prin corpul pacientului, medicul observă o imagine în umbră a pacientului. O fereastră de plumb trebuie instalată între ecran și ochii medicului pentru a-l proteja de efectele nocive ale razelor X. Această metodă face posibilă studierea stării funcționale a unor organe. De exemplu, un medic poate observa direct mișcările plămânilor, trecerea unui agent de contrast prin tractul gastrointestinal. Dezavantajele acestei metode sunt imaginile de contrast insuficiente și dozele relativ mari de radiații primite de pacient în timpul procedurii.

Fluorografie . Această metodă constă în realizarea unei fotografii a unei părți a corpului pacientului. Ele sunt utilizate, de regulă, pentru un studiu preliminar al stării organelor interne ale pacienților care utilizează doze mici de radiații cu raze X.

Radiografie. (radiografie cu raze X). Aceasta este o metodă de cercetare folosind raze X, în timpul căreia imaginea este înregistrată pe film fotografic. Fotografiile sunt realizate de obicei în două planuri perpendiculare. Această metodă are câteva avantaje. Fotografiile cu raze X conțin mai multe detalii decât o imagine pe un ecran fluorescent și, prin urmare, sunt mai informative. Ele pot fi salvate pentru analize ulterioare. Doza totală de radiație este mai mică decât cea utilizată în fluoroscopie.

Tomografia computerizată cu raze X . Scanerul tomografic axial computerizat este cel mai modern dispozitiv de diagnosticare cu raze X care vă permite să obțineți o imagine clară a oricărei părți a corpului uman, inclusiv a țesuturilor moi ale organelor.

Prima generație de scanere pentru tomografie computerizată (CT) include un tub special de raze X care este atașat la un cadru cilindric. Un fascicul subțire de raze X este îndreptat spre pacient. Două detectoare de raze X sunt atașate de partea opusă a cadrului. Pacientul se află în centrul cadrului, care se poate roti cu 180 0 în jurul corpului său.

Un fascicul de raze X trece printr-un obiect staționar. Detectoarele primesc și înregistrează valorile de absorbție ale diferitelor țesuturi. Înregistrările sunt făcute de 160 de ori în timp ce tubul cu raze X se mișcă liniar de-a lungul planului scanat. Apoi cadrul este rotit cu 1 0 și procedura se repetă. Înregistrarea continuă până când cadrul se rotește cu 180 0 . Fiecare detector înregistrează 28800 de cadre (180x160) în timpul studiului. Informațiile sunt procesate de un computer, iar o imagine a stratului selectat este formată prin intermediul unui program special de calculator.

A doua generație de CT utilizează mai multe fascicule de raze X și până la 30 de detectoare de raze X. Acest lucru face posibilă accelerarea procesului de cercetare cu până la 18 secunde.

A treia generație de CT folosește un nou principiu. Un fascicul de raze X larg, în formă de evantai, acoperă obiectul studiat, iar radiația de raze X care a trecut prin corp este înregistrată de câteva sute de detectoare. Timpul necesar cercetării se reduce la 5-6 secunde.

CT are multe avantaje față de metodele anterioare de diagnosticare cu raze X. Se caracterizează prin rezoluție înaltă, ceea ce face posibilă distingerea modificărilor subtile ale țesuturilor moi. CT permite detectarea unor astfel de procese patologice care nu pot fi detectate prin alte metode. În plus, utilizarea CT face posibilă reducerea dozei de radiații cu raze X primite de pacienți în timpul procesului de diagnosticare.