Рентгенови лъчи
1. Откриване на рентгеновите лъчи
Първата Нобелова награда по физика е присъдена на германския физик Вилхелм Рьонтген за откриването през 1895 година на неизвестно по онова време лъчение, което той нарича Х-лъчи. Днес Х-лъчи или рентгенови лъчи се нарича късовълновото електромагнитно лъчение с дължина на вълната в интервала приблизително от 10-6 m (10 nm) до 10-12m (10-3 nm). Откриването на рентгеновите лъчи дава мощен тласък в развитието на физиката и разкрива широки възможности за практическо приложение на тези лъчения.
Вилхелм Конрад Рьонтген - немски физик
Снимка: https://doktori.mk
2. Получаване на рентгенови лъчи
Рентгеново излъчване се получава, когато метална мишена се бомбардира от електрони с голяма кинетична енергия. За тази цел се използват т. нар. рентгенови тръби (фиг.10-1). Във вакуумирана тръба се разполагат един срещу друг два електрода - нагреваема жичка (катод К) и метална пластина (анод А), между които се подава високо напрежение (няколко десетки или стотици киловолта). От нагрятата жичка, която е свързана към отрицателния полюс на източника на високо напрежение, се отделят електрони. Те се ускоряват от електричното поле и се насочват към металната пластина, служеща за мишена.
Фиг.10-1.
При взаимодействието на електронния сноп с мишената възникват два вида рентгеново излъчване:
1. Спирачно рентгеново излъчване. При удара с атомите на веществото на мишената около 99% от кинетичната енергия на електронния сноп се преобразува в топлина и мишената се загрява. Когато срещнат на пътя си атомни ядра обаче, част от електроните рязко се забавят (движат се с голямо ускорение) и излъчват: кинетичната енергия на тези електрони частично или изцяло се преобразува в енергия на електромагнитно лъчение от рентгеновата област. Това излъчване се нарича спирачно и има непрекъснат спектър, който не зависи от вида на атомите на мишената, а се определя единствено от кинетичната енергия на електроните. Спектърът на спирачното рентгеново излъчване е с рязка късовълнова граница. При увеличаване на приложеното към рентгеновата тръба ускоряващо напрежение, граничната дължина на вълната намалява.
2. Характеристично рентгеново излъчване. При големи ускоряващи напрежения в рентгеновата тръба възниква още един вид излъчване, наречено характеристично излъчва след възбуждане на част от на мишената от бомбардиращите ги електрони е характерно за тези атоми, подобно на оптичните спектри на излъчване на разредените едноатомни газове и пари, които са характерни за всеки химичен елемент. Спектърът на характеристичното излъчване е линеен - състои се от тесни спектрални линии с голям интензитет (фиг.10-2), които се наслагват върху непрекъснатия спектър на спирачното излъчване.
Фиг. 10-2. Снимка: https://www.referati.org
3. Дифракция на ренгенови лъчи
През 1912 година германският физик Макс фон Лауе теоретично обосновава възможността кристалите, които са изградени от симетрично разположени редици от атоми, да се използват като дифракционни решетки за рентгеновите лъчи. На фиг. 10-3 схематично е показан предложеният от Лауе метод за наблюдаване на дифракция на рентгенови лъч. Успореден сноп от рентгенови лъчи с различна дължина на вълната, която е от порядъка на разстоянието между атомите, пада върху кристал. След като преминат през кристала, рентгеновите лъчи се разделят на отделни снопове, които попадат върху фотографски филм и създават дифракционна картина, съставена от симетрично разположени петна. Тези петна са резултат от интерференцията на вторичните вълни, излъчени от много голям брой симетрично разположени атоми, действащи като дифракционна решетка. Като се анализира разположението на петната и техният интензитет, получава се информация за структурата на кристала: за начина на подреждане на атомите и се определя разстоянието между тях. Този метод за изследване на вътрешната структура на веществата се нарича рентгеноструктурен анализ.
Фиг. 10-3.
Чрез анализ на дифракционните картини, получени с рентгенови лъчи, се определя също така структурата на метални сплави, органични съединения и биологични обекти с периодична структура (например молекулите на ДНК, на хемоглобина и др.).
4. Приложение на рентгеновите лъчи в медицината
Поглъщането на рентгеновите лъчи от веществото се различава от поглъщането на светлината. Например прозрачното за светлината оловно стъкло почти изцяло поглъща рентгеновите лъчи и се използва за защита на работещите с рентгенова апаратура. Обратно, преминават с минимално поглъщане през алуминиево фолио, което е непрозрачно за светлината. Различните органи и тъкани на човешкото тяло поглъщат рентгеновите лъчи в различна степен: например костите и други образования, съдържащи калций, ги поглъщат по-силно от меките тъкани, на което се основава използването на рентгеновите лъчи в медицината за наблюдаване на вътрешни органи на човека - кости, бели дробове и др (фиг. 10-4). Изследваната част от тялото се „осветява" с рентгенови лъчи, които частично се поглъщат от нея, а преминалите лъчи попадат върху екрана на флуороскоп или върху касета с фотографски филм. На екрана образът на обектите, които по-силно поглъщат рентгеновите лъчи (например костите). е тъмен, а на по-слабо поглъщащите - светъл. В съвременните компютърни рентгенови томографи тесен рентгенов сноп пробягва (сканира) послойно дадена част от човешкото тяло и образите на отделните слоеве се получават след компютърна обработка на интензитета на преминалото през тях лъчение.
Фиг. 10-4. Снимки: https://www.webcafe.bg
5. Биологично действие на ренгеновите лъчи
Подобно на радиоактивните лъчения, рентгеновите лъчи имат йонизираща способност (фиг. 10-5). Те йонизират атомите и молекулите, влизащи в състава на живите клетки, на което се основава биологичното им действие. Погълнатото лъчение води до физични промени в клетките, като разрушаване на молекулите, спиране действието на ензимите, разкъсване на хромозомите и други увреждания. Клетките, които растат най-бързо, са най-възприемчиви към лъчението. Затова рентгеновите лъчи се използват в медицината за поразяване на туморни образования, чиито клетки се размножават много по-бързо от нормалните клетки и са по-чувствителни към йонизиращите лъчения.
Фиг.10-5.
