Рентгеновское излучение – разновидность высокоэнергетического электромагнитного излучения. Оно активно используется в различных отраслях медицины.

Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны, энергия фотонов которых на шкале электромагнитных волн находится между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением (от ~10 эВ до ~1 МэВ), что соответствует длинам волн от ~10^3 до ~10^−2 ангстрем (от ~10^−7 до ~10^−12 м). То есть это несравнимо более жесткое излучение, чем видимый свет, который находится на этой шкале между ультрафиолетом и инфракрасными (“тепловыми”) лучами.

Граница между рентгеном и гамма-излучением выделяется условно: их диапазоны пересекаются, гамма-лучи могут иметь энергию от 1 кэв. Различаются они по происхождению: гамма-лучи испускаются в ходе процессов, происходящих в атомных ядрах, рентгеновские же – при процессах, идущих с участием электронов (как свободных, так и находящихся в электронных оболочках атомов). При этом по самому фотону невозможно установить, в ходе какого процесса он возник, то есть деление на рентгеновский и гамма-диапазон во многом условно.

Рентгеновский диапазон делят на “мягкий рентген” и “жесткий”. Граница между ними пролегает на уровне длины волны 2 ангстрема и 6 кэв энергии.

Генератор рентгеновского излучения представляет собой трубку, в которой создан вакуум. Там расположены электроды – катод, на который подается отрицательный заряд, и положительно заряженный анод. Напряжение между ними составляет десятки-сотни киловольт. Генерация рентгеновских фотонов происходит тогда, когда электроны “срываются” с катода и с высочайшей скоростью врезаются в поверхность анода. Возникающее при этом рентгеновское излучение называется “тормозным”, его фотоны имеют различную длину волны.

Одновременно происходит генерация фотонов характеристического спектра. Часть электронов в атомах вещества анода возбуждается, то есть переходит на более высокие орбиты, а потом возвращается в нормальное состояние, излучая фотоны определенной длины волны. В стандартном генераторе возникают оба типа рентгеновского излучения.

История открытия

8 ноября 1895 года немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что некоторые вещества под воздействием “катодных лучей”, то есть потока электронов, генерируемого катодно-лучевой трубкой, начинают светиться. Он объяснил это явление воздействием неких X-лучей – так (“икс-лучи”) это излучение и сейчас называется на многих языках. Позже В.К. Рентген изучил открытое им явление. 22 декабря 1895 года он сделал доклад на эту тему в Вюрцбургском университете.

Позже выяснилось, что рентгеновское излучение наблюдалось и ранее, но тогда связанным с ним феноменам не придали большого значения. Катодно-лучевая трубка была изобретена уже давно, но до В.К. Рентгена никто не обращал особого внимания на почернение фотопластинок вблизи нее и т.п. явления. Неизвестна была и опасность, исходящая от проникающей радиации.

Виды и их влияние на организм

“Рентген” – самый мягкий тип проникающей радиации. Избыточное воздействие мягкого рентгена напоминает влияние ультрафиолетового облучения, но в более тяжелой форме. На коже образуется ожог, но поражение оказывается более глубоким, а заживает он намного медленнее.

Жесткий рентген представляет собой полноценную ионизирующую радиацию, способную привести к лучевой болезни. Рентгеновские кванты могут разрывать молекулы белков, из которых состоят ткани человеческого тела, а также молекулы ДНК генома. Но даже если рентгеновский квант разбивает молекулу воды, все равно: при этом образуются химически активные свободные радикалы H и OH, которые сами способны воздействовать на белки и ДНК. Лучевая болезнь протекает в тем более тяжелой форме, чем больше поражаются органы кроветворения.

Рентгеновские лучи обладают мутагенной и канцерогенной активностью. Это значит, что вероятность спонтанных мутаций в клетках при облучении возрастает, а иногда здоровые клетки могут перерождаться в раковые. Повышение вероятности появления злокачественных опухолей – стандартное следствие любого облучения, в том числе рентгеновского. Рентген является наименее опасным видом проникающей радиации, но он все равно может быть опасен.

Рентгеновское излучение: применение и как работает

Рентгеновское излучение применяется в медицине, а также в других сферах человеческой деятельности.

Рентгеноскопия и компьютерная томография

Наиболее частое применение рентгеновского излучения – рентгеноскопия. “Просвечивание” человеческого тела позволяет получить детальное изображение как костей (они видны наиболее четко), так и изображения внутренних органов.

Различная прозрачность тканей тела в рентгеновских лучах связана с их химическим составом. Особенности строения костей в том, что они содержат много кальция и фосфора. Другие же ткани состоят в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. Атом фосфора превосходит по весу атом кислорода почти вдвое, а атом кальция – в 2,5 раза (углерод, азот и водород – еще легче кислорода). В связи с этим поглощение рентгеновских фотонов в костях оказывается намного выше.

Помимо двухмерных “снимков” рентгенография дает возможность создать трехмерное изображение органа: эта разновидность рентгенографии называется компьютерной томографией. Для этих целей применяется мягкий рентген. Объем облучения, полученный при одном снимке, невелик: он примерно равен облучению, получаемому при 2-часовом полете на самолете на высоте 10 км.

Рентгеновская дефектоскопия позволяет выявлять мелкие внутренние дефекты в изделиях. Для нее используется жесткий рентген, так как многие материалы (металл например) плохо “просвечиваются” из-за высокой атомной массы составляющего их вещества.

Рентгеноструктурный и рентгенофлуоресцентный анализ

У рентгеновских лучей свойства позволяют с их помощью детально рассматривать отдельные атомы. Рентгеноструктурный анализ активно применяется в химии (в том числе биохимии) и кристаллографии. Принцип его работы – дифракционное рассеивание рентгеновских лучей на атомах кристаллов или сложных молекул. При помощи рентгеноструктурного анализа была определена структура молекулы ДНК.

Рентгенофлуоресцентный анализ позволяет быстро определить химический состав вещества.

Существует множество форм радиотерапии, но все они подразумевают использование ионизирующей радиации. Радиотерапия делится на 2 типа: корпускулярный и волновой. Корпускулярный использует потоки альфа-частиц (ядер атомов гелия), бета-частиц (электронов), нейтронов, протонов, тяжелых ионов. Волновой использует лучи электромагнитного спектра – рентгеновские и гамма.

Используются радиотерапевтические методы прежде всего для лечения онкологических заболеваний. Дело в том, что радиация поражает в первую очередь активно делящиеся клетки, поэтому так страдают органы кроветворения (их клетки постоянно делятся, производя все новые эритроциты). Раковые клетки тоже постоянно делятся и более уязвимы для радиации, чем здоровая ткань.

Используется уровень облучения, который подавляет активность раковых клеток, умеренно влияя на здоровые. Под воздействием радиации происходит не разрушение клеток как таковое, а поражение их генома – молекул ДНК. Клетка с разрушенным геномом может некоторое время существовать, но уже не может делиться, то есть рост опухоли прекращается.

Рентгенотерапия – наиболее мягкая форма радиотерапии. Волновая радиация мягче корпускулярной, а рентген – мягче гамма-излучения.

При беременности

Использовать ионизирующую радиацию при беременности опасно. Рентгеновские лучи обладают мутагенной активностью и могут вызвать нарушения у плода. Рентгенотерапия несовместима с беременностью: она может применяться только в том случае, если уже решено производить аборт. Ограничения на рентгеноскопию мягче, но в первые месяцы она тоже строго запрещена.

В случае крайней необходимости рентгенологическое исследование заменяют магниторезонансной томографией. Но в первый триместр стараются избегать и ее (этот метод появился недавно, и с абсолютной уверенностью говорить об отсутствии вредных последствий).

Однозначная опасность возникает при облучении суммарной дозой не менее 1 мЗв (в старых единицах – 100 мР). При простом рентгеновском снимке (например, при прохождении флюорографии) пациентка получает примерно в 50 раз меньше. Для того, чтобы получить такую дозу за 1 раз, нужно подвергнуться детальной компьютерной томографии.

То есть сам по себе факт 1-2-кратного “рентгена” на ранней стадии беременности не грозит тяжелыми последствиями (но лучше не рисковать).

Лечение с помощью него

Рентгеновские лучи применяют прежде всего при борьбе со злокачественными опухолями. Этот метод хорош тем, что высокоэффективен: он убивает опухоль. Плох он тем, что здоровым тканям приходится немногим лучше, имеются многочисленные побочные эффекты. В особой опасности находятся органы кроветворения.

На практике применяются различные методы, позволяющие снизить воздействие рентгена на здоровые ткани. Лучи направляются под углом таким образом, чтобы в зоне их перекрещивания оказалась опухоль (благодаря этому основное поглощение энергии происходит как раз там). Иногда процедура производится в движении: тело пациента относительно источника излучения вращается вокруг оси, проходящей через опухоль. При этом здоровые ткани оказываются в зоне облучения лишь иногда, а больные – постоянно.

Рентген используется при лечении некоторых артрозов и подобных заболеваний, а также кожных болезней. При этом болевой синдром снижается на 50-90%. Так как излучение при этом используется более мягкое, побочных эффектов, аналогичных тем, что возникают при лечении опухолей, не наблюдается.

Хотя ученые открыли эффект рентгена только начиная с 1890-х, применение рентгеновского излучения в медицине для этой природной силы прошло быстро. Сегодня на благо человечества рентгеновское электромагнитное излучение используется в медицине, научных кругах и промышленности, а также для генерации электроэнергии.

Кроме того излучение имеет полезные приложения в таких областях, как сельское хозяйство, археология, космос, работа на правоохранительные органы, геология (включая горнодобывающую промышленность) и многие другие виды деятельности, даже разрабатываются автомобили с применением явления ядерного деления.

Медицинское использование рентгеновского излучения

В медицинских учреждениях врачи и стоматологи используют различные ядерные материалы и процедуры для диагностики, мониторинга и лечения широкого ассортимента метаболических процессов и заболеваний в организме человека. В результате медицинские процедуры с использованием лучей спасли тысячи жизней путем выявления и лечения заболеваний, начиная от гиперфункции щитовидной железы до рака кости.

Наиболее распространенные из этих медицинских процедур включают использование лучей, которые могут пройти через нашу кожу. Когда выполняется снимок, наши кости и другие структуры как бы отбрасывают тени, потому что они плотнее, чем наша кожа, и эти тени могут быть обнаружены на пленке или экране монитора. Эффект похож на размещение карандаша между листом бумаги и светом. Тень от карандаша будет видна на листе бумаги. Разница заключается в том, что лучи невидимы, так что необходим регистрирующий элемент, что-то типа фотоплёнки. Это позволяет врачам и стоматологам оценить применение рентгеновского излучения увидев сломанные кости или проблемы с зубами.

Применение рентгеновского излучения в лечебных целях

Применение рентгеновского излучения целевым образом в лечебных целях не только для обнаружения повреждений. При специализированном использовании, оно предназначено, чтобы убить раковые ткани, уменьшить размер опухоли или уменьшить боль. Например, радиоактивный йод (в частности йод-131) часто используется для лечения рака щитовидной железы, от заболевания от которой страдает много людей.

Аппараты использующие это свойство также подключаются к компьютерам и сканируют, называясь: компьютерная осевая томография или компьютерная томография.

Эти инструменты обеспечивают врачам цветное изображение, которое показывает очертания и детали внутренних органов. Это помогает врачам обнаруживать и идентифицировать опухоли, размер аномалий или другие проблемы физиологических или функциональных органов.
Кроме того больницы и радиологические центры выполняют миллионы процедур ежегодно. В таких процедурах врачи запускают слегка радиоактивные вещества в тело пациентов, чтобы посмотреть некоторые внутренние органы, например, поджелудочную железу, почки, щитовидную железу, печень или головной мозг, для диагностики клинических условий.

Испускаются при участии электронов, в отличие от гамма-излучения, которое является ядерным. Искусственно рентгеновское излучение создается путем сильного ускорения заряженных частиц и путем перехода электронов с одного энергетического уровня на другой с высвобождением большого количества энергии. Устройства, на которых можно получить - это рентгеновские трубки и ускорители заряженных частиц. Естественными источниками его являются радиоактивно нестабильные атомы и космические объекты.

История открытия

Оно было сделано в ноябре 1895 года Рентгеном — немецким ученым, который обнаружил эффект флуоресценции платино-цианистого бария во время работы катодолучевой трубки. Он описал характеристики этих лучей довольно подробно, включая способность проникать сквозь живые ткани. Они были названы ученым икс-лучами (X-rays), название "рентгеновские" прижилось в России позднее.

Чем характеризуется этот вид излучения

Логично, что особенности данного излучения обусловлены его природой. Электромагнитная волна — вот что такое рентгеновское излучение. Свойства его следующие:

Рентгеновское излучение - вред

Разумеется, в момент открытия и долгие годы после того никто не представлял себе, насколько оно опасно.

К тому же, примитивные устройства, продуцирующие эти электромагнитные волны, в силу незащищенной конструкции создавали высокие дозы. Правда, предположения об опасности для человека этого излучения ученые выдвигали и тогда. Проходя сквозь живые ткани, рентгеновское излучение оказывает биологическое действие на них. Основным влиянием является ионизация атомов веществ, из которых состоят ткани. Самым опасным этот эффект становится по отношению к ДНК живой клетки. Последствиями воздействия рентгеновских лучей становятся мутации, опухоли, лучевые ожоги и лучевая болезнь.

Где применяются икс-лучи

1. Медицина. Рентгенодиагностика — “просвечивание” живых организмов. Рентгенотерапия — воздействие на опухолевые клетки.
2. Наука. Кристаллография, химия и биохимия используют их для выявления строения вещества.
3. Промышленность. Выявление дефектов металлических деталей.
4. Безопасность. Рентгеновское оборудование применяют для обнаружения опасных предметов в багаже в аэропортах и других местах.

В 1895 немецкий физик Рентген , проводя опыты по прохождению тока между двумя электродами в вакууме, обнаружил, что экран, покрытый люминесцентным веществом (солью бария) светится, хотя разрядная трубка закрыта черным картонным экраном – так было открыто излучение, проникающее через непрозрачные преграды, названное Рентгеном Х-лучами. Было обнаружено, что рентгеновское излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше атомный номер (плотность) преграды, поэтому рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани человеческого тела, но задерживаются костями скелета. Были сконструированы источники мощных рентгеновских лучей, позволяющие просвечивать металлические детали и находить в них внутренние дефекты.

Немецкий физик Лауэ предположил, что рентгеновские лучи являются таким же электромагнитным излучением, как лучи видимого света, но с меньшей длиной волны и к ним применимы все законы оптики, в том числе возможна дифракция. В оптике видимого света дифракция на элементарном уровне может быть представлена как отражение света от системы штрихов – дифракционной решетки, происходящее только под определенными углами, при этом угол отражения лучей связан с углом падения, расстоянием между штрихами дифракционной решетки и длиной волны падающего излучения. Для дифракции нужно, чтобы расстояние между штрихами было примерно равно длине волны падающего света.

Лауэ предположил, что рентгеновские лучи имеют длину волны, близкую к расстоянию между отдельными атомами в кристаллах, т.е. атомы в кристалле создают дифракционную решетку для рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи, направленные на поверхность кристалла, отразились на фотопластинку, как предсказывалось теорией.

Любые изменения в положении атомов влияют на дифракционную картину, и, изучая дифракцию рентгеновских лучей,можно узнать расположение атомов в кристалле и изменение этого расположения при любых физических, химических и механических воздействиях на кристалл.

Сейчас рентгеноанализ используется во многих областях науки и техники, с его помощью узнали расположение атомов в существующих материалах и создали новые материалы с заданными структурой и свойствами. Последние достижения в этой области (наноматериалы, аморфные металлы, композитные материалы) создают поле деятельности для следующих научных поколений.

Возникновение и свойства рентгеновского излучения

Источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, в которой есть два электрода – катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. От обычной радиолампы (диода) рентгеновскую трубку отличает, в основном, более высокое ускоряющее напряжение (более 1 кВ).

Когда электрон вылетает из катода, электрическое поле заставляет его лететь по направлению к аноду, при этом скорость его непрерывно возрастает, электрон несет магнитное поле, напряженность которого растет с ростом скорости электрона. Достигая поверхности анода электрон резко тормозится, при этом возникает электромагнитный импульс с длинами волн в определенном интервале (тормозное излучение). Распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от материала анода рентгеновской трубки и приложенного напряжения, при этом со стороны коротких волн эта кривая начинается с некоторой пороговой минимальной длины волны, зависящей от приложенного напряжения. Совокупность лучей со всеми возможными длинами волн образует непрерывный спектр, и длина волны, соответствующая максимальной интенсивности, в 1,5 раза превышает минимальную длину волны.

При увеличении напряжения рентгеновский спектр резко меняется за счет взаимодействия атомов с высокоэнергетичными электронами и квантами первичных рентгеновских лучей. Атом содержит внутренние электронные оболочки (энергетические уровни), количество которых зависит от атомного номера (обозначаются буквами K, L, М и т.д.) Электроны и первичные рентгеновские лучи выбивают электроны из одних энергетических уровней на другие. Возникает метастабильное состояние и для перехода к стабильному состоянию необходим перескок электронов в обратном направлении. Этот скачок сопровождается выделением кванта энергии и возникновением рентгеновского излучения. В отличие от рентгеновских лучей с непрерывным спектром, у этого излучения очень узкий интервал длин волн и высокая интенсивность (характеристическое излучением) (см . рис.). Количество атомов, определяющих интенсивность характеристического излучения, очень велико, например, для рентгеновской трубки с медным анодом при напряжении 1 кВ токе 15 мА за 1 с характеристическое излучение дают 10 14 –10 15 атомов. Эта величина вычисляется как отношение общей мощности рентгеновского излучения к энергии кванта рентгеновского излучения из К-оболочки (К-серия рентгеновского характеристического излучения). Общая мощность рентгеновского излучения при этом составляет всего 0,1% от потребляемой мощности, остальная часть теряется, в основном, за счет перехода в тепло.

Вследствие высокой интенсивности и узкого интервала длин волн характеристическое рентгеновское излучение является основным типом излучения, используемым в научных исследованиях и при технологическом контроле. Одновременно с лучами К-серии генерируются лучи L и М-серий, имеющих значительно большие длины волн, но применение их ограничено. K-серия имеет две составляющие с близкими длинами волн a и b , при этом интенсивность b -составляющей в 5 раз меньше, чем a . В свою очередь a -составляющая характеризуется двумя очень близкими длинами волн, интенсивность одной из которых в 2 раза больше, чем другой. Чтобы получить излучение с одной длиной волны (монохроматическое излучение), разработаны специальные методы, использующие зависимость поглощения и дифракции рентгеновских лучей от длины волны. Увеличение атомного номера элемента связано с изменением характеристик электронных оболочек, при этом чем больше атомный номер материала анода рентгеновской трубки, тем меньше длина волны К-серии. Наиболее широко применяются трубки с анодами из элементов с атомными номерами от 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) и длинами волн от 2,29 до 0,712 А (0,229 – 0,712 нм).

Кроме рентгеновской трубки, источниками рентгеновского излучения могут быть радиоактивные изотопы, одни могут непосредственно испускать рентгеновское излучение, другие испускают электроны и a -частицы, генерирующие рентгеновское излучение при бомбардировке металлических мишеней. Интенсивность рентгеновского излучения радиоактивных источников обычно значительно меньше, чем рентгеновской трубки (за исключением радиоактивного кобальта, используемого в дефектоскопии и дающего излучение очень малой длины волны – g -излучение), они малогабаритны и не требуют электроэнергии. Синхротронное рентгеновское излучение получают в ускорителях электронов, длина волны этого излучения значительно превышает получаемую в рентгеновских трубках (мягкое рентгеновское излучение), интенсивность его на несколько порядков выше интенсивности излучения рентгеновских трубок. Есть и природные источники рентгеновского излучения. Радиоактивные примеси обнаружены во многих минералах, зарегистрировано рентгеновское излучение космических объектов, в том числе и звезд.

Взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллами

При рентгенографическом исследовании материалов с кристаллической структурой анализируют интерференционные картины, возникающие в результате рассеяния рентгеновских лучей электронами, принадлежащими атомам кристаллической решетки. Атомы считаются неподвижными, их тепловые колебания не учитываются и все электроны одного и того же атом считаются сосредоточенными в одной точке – узле кристаллической решетки.

Для вывода основных уравнений дифракции рентгеновских лучей в кристалле рассматривается интерференция лучей, рассеянных атомами, расположенными вдоль прямой в кристаллической решетке. На эти атомы под углом, косинус которого равен a 0 , падает плоская волна монохроматического рентгеновского излучения. Законы интерференции лучей, рассеянных атомами, аналогичны существующим для дифракционной решетки, рассеивающей световое излучение в видимом диапазоне длин волн. Чтобы на большом расстоянии от атомного ряда амплитуды всех колебаний складывались, необходимо и достаточно, чтобы разность хода лучей, идущих от каждой пары соседних атомов, содержала целое число длин волн. При расстоянии между атомами а это условие имеет вид:

а (a – a 0) = h l ,

где a – косинус угла между атомным рядом и отклоненным лучом, h – целое число. Во всех направлениях, не удовлетворяющих этому уравнению, лучи не распространяются. Таким образом, рассеянные лучи образуют систему коаксиальных конусов, общей осью которых является атомный ряд. Следы конусов на плоскости, параллельной атомному ряду, – гиперболы, а на плоскости, перпендикулярной ряду, – круги.

При падении лучей под постоянным углом полихроматическое (белое) излучение разлагается в спектр лучей, отклоненных под фиксированными углами. Таким образом, атомный ряд является спектрографом для рентгеновского излучения.

Обобщение на двумерную (плоскую) атомную решетку, а затем на трехмерную объемную (пространственную) кристаллическую решетку дает еще два аналогичных уравнения, в которые входят углы падения и отражения рентгеновского излучения и расстояния между атомами по трем направлениям. Эти уравнения называются уравнениями Лауэ и лежат в основе рентгеноструктурного анализа.

Амплитуды лучей, отраженных от параллельных атомных плоскостей складываются и т.к. количество атомов очень велико, отраженное излучение можно зафиксировать экспериментально. Условие отражения описывается уравнением Вульфа – Брэгга2d sinq = nl , где d – расстояние между соседними атомными плоскостями, q – угол скольжения между направлением падающего луча и этими плоскостями в кристалле, l – длина волны рентгеновского излучения, n – целое число, названное порядком отражения. Угол q является углом падения по отношению именно к атомным плоскостям, которые не обязательно совпадают по направлению с поверхностью исследуемого образца.

Разработано несколько методов рентгеноструктурного анализа, использующих как излучение со сплошным спектром, так и монохроматическое излучение. Исследуемый объект при этом может быть неподвижным или вращающимся, может состоять из одного кристалла (монокристалл) или многих (поликристалл), дифрагированное излучение может регистрироваться с помощью плоской или цилиндрической рентгеновской пленки или перемещающегося по окружности детектора рентгеновского излучения, однако во всех случаях при проведении эксперимента и интерпретации результатов используется уравнение Вульфа – Брэгга.

Рентгеноанализ в науке и технике

С открытием дифракции рентгеновских лучей в распоряжении исследователей оказался метод, позволяющий без микроскопа изучить расположение отдельных атомов и изменения этого расположения при внешних воздействиях.

Основное применение рентгеновских лучей в фундаментальной науке – структурный анализ, т.е. установление пространственного расположения отдельных атомов в кристалле. Для этого выращивают монокристаллы и проводят рентгеноанализ, изучая как расположения, так и интенсивности рефлексов. Сейчас определены структуры не только металлов, но и сложных органических веществ, в которых элементарные ячейки содержат тысячи атомов.

В минералогии методом ретгеноанализа определены структуры тысяч минералов и созданы экспресс-методы анализа минерального сырья.

У металлов сравнительно простая кристаллическая структура и рентгеновский метод позволяет исследовать ее изменения при различных технологических обработках и создавать физические основы новых технологий.

По расположению линий на рентгенограммах определяют фазовый состав сплавов, по их ширине – число, величину и форму кристаллов, по распределению интенсивности в дифракционном конусе – ориентировку кристаллов (текстуру).

С помощью этих методик изучают процессы при пластической деформации, включающие в себя дробление кристаллов, возникновение внутренних напряжений и несовершенств кристаллической структуры (дислокаций). При нагреве деформированных материалов изучают снятие напряжений и рост кристаллов (рекристаллизация).

При рентгеноанализе сплавов определяют состав и концентрацию твердых растворов. При возникновении твердого раствора меняются межатомные расстояния и, следовательно, расстояния между атомными плоскостями. Эти изменения невелики, поэтому разработаны специальные прецизионные методы измерения периодов кристаллической решетки с точностью на два порядка превышающей точность измерения при обычных рентгеновских методах исследования. Сочетание прецизионных измерений периодов кристаллической решетки и фазового анализа позволяют построить границы фазовых областей на диаграмме состояния. Рентгеновским методом можно также обнаружить промежуточные состояния между твердыми растворами и химическими соединениями – упорядоченные твердые растворы, в которых атомы примеси расположены не хаотически, как в твердых растворах, и в то же время не с трехмерной упорядоченностью, как в химических соединениях. На рентгенограммах упорядоченных твердых растворов есть дополнительные линии, расшифровка рентгенограмм показывает, что атомы примеси занимают определенные места в кристаллической решетке, например, в вершинах куба.

При закалке сплава, не испытывающего фазовых превращений, может возникать пересыщенный твердый раствор и при дальнейшем нагреве или даже выдержке при комнатной температуре твердый раствор распадается с выделением частиц химического соединения. Это эффект старениея и проявляется он на рентгенограммах как изменение положения и ширины линий. Исследование старения особенно важно для сплавов цветных металлов, например, старение превращает мягкий закаленный алюминиевый сплав в прочный конструкционный материал дуралюмин.

Наибольшее технологическое значение имеют рентгеновские исследования термической обработки стали. При закалке (быстром охлаждении) стали происходит бездиффузионный фазовый переход аустенит – мартенсит, что приводит к изменению структуры от кубической к тетрагональной, т.е. элементарная ячейка приобретает форму прямоугольной призмы. На рентгенограммах это проявляется как расширение линий и разделение некоторых линий на две. Причины этого эффекта – не только изменение кристаллической структуры, но и возникновение больших внутренних напряжений из-за термодинамической неравновесности мартенситной структуры и резкого охлаждения. При отпуске (нагреве закаленной стали) линии на рентгенограммах сужаются, это связано с возвращением к равновесной структуре.

В последние годы большое значение приобрели рентгеновские исследования обработки материалов концентрированными потоками энергии (лучами лазера, ударными волнами, нейтронами, электронными импульсами), они потребовали новых методик и дали новые рентгеновские эффекты. Например, при действии лучей лазера на металлы нагрев и охлаждение происходят настолько быстро, что в металле при охлаждении кристаллы успевают вырасти только до размеров в несколько элементарных ячеек (нанокристаллы) или вообще не успевают возникнуть. Такой металл после охлаждения выглядит как обычный, но не дает четких линий на рентгенограмме, а отраженные рентгеновские лучи распределены по всему интервалу углов скольжения.

После нейтронного облучения на рентгенограммах возникают дополнительные пятна (диффузные максимумы). Радиоактивный распад также вызывает специфические рентгеновские эффекты, связанные с изменением структуры, а также с тем, что исследуемый образец сам становится источником рентгеновского излучения.

В изучении и практическом использовании атомных явлений одну из важнейших ролей играют рентгеновские лучи. Благодаря их исследованию было сделано множество открытий и разработаны методы анализа вещества, применяемые в самых разных областях. Здесь мы рассмотрим один из видов рентгеновских лучей - характеристическое рентгеновское излучение.

Природа и свойства рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение - это высокочастотное изменение состояния электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве со скоростью около 300 000 км/с, то есть электромагнитные волны. На шкале диапазона электромагнитного излучения рентген располагается в области длин волн от приблизительно 10 -8 до 5∙10 -12 метров, что на несколько порядков короче оптических волн. Это соответствует частотам от 3∙10 16 до 6∙10 19 Гц и энергиям от 10 эВ до 250 кэВ, или 1,6∙10 -18 до 4∙10 -14 Дж. Следует отметить, что границы частотных диапазонов электромагнитного излучения достаточно условны вследствие их перекрытия.

Является взаимодействие ускоренных заряженных частиц (электронов высоких энергий) с электрическими и магнитными полями и с атомами вещества.

Фотонам рентгеновских лучей свойственны высокие энергии и большая проникающая и ионизирующая способность, особенно для жесткого рентгена с длинами волн менее 1 нанометра (10 -9 м).

Рентгеновские лучи взаимодействуют с веществом, ионизируя его атомы, в процессах фотоэффекта (фотопоглощения) и некогерентного (комптоновского) рассеяния. При фотопоглощении рентгеновский фотон, поглощаясь электроном атома, передает ему энергию. Если ее величина превышает энергию связи электрона в атоме, то он покидает атом. Комптоновское рассеяние характерно для более жестких (энергичных) рентгеновских фотонов. Часть энергии поглощаемого фотона затрачивается на ионизацию; при этом под некоторым углом к направлению первичного фотона излучается вторичный, с меньшей частотой.

Виды рентгеновского излучения. Тормозное излучение

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

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

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

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

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

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

Как возникает характеристическое рентгеновское излучение

Достигнув антикатода, быстрый электрон может проникнуть внутрь атома и выбить какой-либо электрон с одной из нижних орбиталей, то есть передать ему энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Однако при наличии в атоме более высоких энергетических уровней, занятых электронами, освободившееся место пустым не останется.

Необходимо помнить, что электронная структура атома, как и всякая энергетическая система, стремится минимизировать энергию. Образовавшаяся в результате выбивания вакансия заполняется электроном с одного из вышележащих уровней. Его энергия выше, и, занимая более низкий уровень, он излучает излишек в форме кванта характеристического рентгеновского излучения.

Электронная структура атома - это дискретный набор возможных энергетических состояний электронов. Поэтому рентгеновские фотоны, излучаемые в процессе замещения электронных вакансий, также могут иметь только строго определенные значения энергии, отражающие разность уровней. Вследствие этого характеристическое рентгеновское излучение обладает спектром не сплошного, а линейчатого вида. Такой спектр позволяет характеризовать вещество анода - отсюда и название этих лучей. Именно благодаря спектральным различиям ясно, что понимают под тормозным и характеристическим рентгеновским излучением.

Иногда излишек энергии не излучается атомом, а затрачивается на выбивание третьего электрона. Этот процесс - так называемый эффект Оже - с большей вероятностью происходит, когда энергия связи электрона не превышает 1 кэВ. Энергия освобождающегося оже-электрона зависит от структуры энергетических уровней атома, поэтому спектры таких электронов также носят дискретный характер.

Общий вид характеристического спектра

Узкие характеристические линии присутствуют в рентгеновской спектральной картине вместе со сплошным тормозным спектром. Если представить спектр в виде графика зависимости интенсивности от длины волны (частоты), в местах расположения линий мы увидим резкие пики. Их позиция зависит от материала анода. Эти максимумы присутствуют при любой разности потенциалов - если есть рентгеновские лучи, пики тоже всегда есть. При повышении напряжения на электродах трубки интенсивность и сплошного, и характеристического рентгеновского излучения нарастает, но расположение пиков и соотношение их интенсивностей не меняется.

Пики в рентгеновских спектрах имеют одинаковый вид независимо от материала облучаемого электронами антикатода, но у различных материалов располагаются на разных частотах, объединяясь в серии по близости значений частоты. Между самими сериями различие по частотам намного значительнее. Вид максимумов никак не зависит от того, представляет ли материал анода чистый химический элемент или же это сложное вещество. В последнем случае характеристические спектры рентгеновского излучения составляющих его элементов просто накладываются друг на друга.

С повышением порядкового номера химического элемента все линии его рентгеновского спектра смещаются в сторону повышения частоты. Спектр при этом сохраняет свой вид.

Закон Мозли

Явление спектрального сдвига характеристических линий было экспериментально обнаружено английским физиком Генри Мозли в 1913 году. Это позволило ему связать частоты максимумов спектра с порядковыми номерами химических элементов. Таким образом, и длину волны характеристического рентгеновского излучения, как выяснилось, можно четко соотнести с определенным элементом. В общем виде закон Мозли можно записать следующим образом: √f = (Z - S n)/n√R, где f - частота, Z - порядковый номер элемента, S n - постоянная экранирования, n - главное квантовое число и R - постоянная Ридберга. Эта зависимость имеет линейный характер и на диаграмме Мозли выглядит как ряд прямых линий для каждого значения n.

Значения n соответствуют отдельным сериям пиков характеристического рентгеновского излучения. Закон Мозли позволяет по измеряемым значениям длин волн (они однозначно связаны с частотами) максимумов рентгеновского спектра устанавливать порядковый номер химического элемента, облучаемого жесткими электронами.

Структура электронных оболочек химических элементов идентична. На это указывает монотонность сдвигового изменения характеристического спектра рентгеновского излучения. Частотный сдвиг отражает не структурные, а энергетические различия между электронными оболочками, уникальные для каждого элемента.

Роль закона Мозли в атомной физике

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

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

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

Строение электронных оболочек атома

Вкратце вспомним, как устроена электронная Она состоит из оболочек, обозначаемых буквами K, L, M, N, O, P, Q либо цифрами от 1 до 7. Электроны в пределах оболочки характеризуются одинаковым главным квантовым числом n, определяющим возможные значения энергии. Во внешних оболочках энергия электронов выше, а потенциал ионизации для внешних электронов соответственно ниже.

Оболочка включает один или несколько подуровней: s, p, d, f, g, h, i. В каждой оболочке количество подуровней увеличивается на один по сравнению с предыдущей. Количество электронов в каждом подуровне и в каждой оболочке не может превышать определенного значения. Они характеризуются, помимо главного квантового числа, одинаковым значением орбитального определяющего форму электронного облака. Подуровни обозначаются с указанием оболочки, которой они принадлежат, например, 2s, 4d и так далее.

Подуровень содержит которые задаются, кроме главного и орбитального, еще одним квантовым числом - магнитным, определяющим проекцию орбитального момента электрона на направление магнитного поля. Одна орбиталь может иметь не более двух электронов, различающихся значением четвертого квантового числа - спинового.

Рассмотрим подробнее, как возникает характеристическое рентгеновское излучение. Так как происхождение этого типа электромагнитной эмиссии связано с явлениями, происходящими внутри атома, удобнее всего описывать его именно в приближении электронных конфигураций.

Механизм генерации характеристического рентгеновского излучения

Итак, причиной возникновения данного излучения является образование электронных вакансий во внутренних оболочках, обусловленное проникновением высокоэнергичных электронов глубоко внутрь атома. Вероятность того, что жесткий электрон вступит во взаимодействие, возрастает с увеличением плотности электронных облаков. Следовательно, наиболее вероятным будет столкновение в пределах плотно упакованных внутренних оболочек, например, самой нижней К-оболочки. Здесь атом ионизируется, и в оболочке 1s образуется вакансия.

Эта вакансия заполняется электроном из оболочки с большей энергией, избыток которой уносится рентгеновским фотоном. Этот электрон может «упасть» из второй оболочки L, из третьей М и так далее. Так формируется характеристическая серия, в данном примере - К-серия. Указание на то, откуда происходит заполнивший вакансию электрон, дается в виде греческого индекса при обозначении серии. «Альфа» означает, что он происходит из L-оболочки, «бета» - из М-оболочки. В настоящее время существует тенденция к замене греческих буквенных индексов латинскими, принятыми для обозначения оболочек.

Интенсивность альфа-линии в серии всегда наивысшая - это значит, что вероятность заполнения вакансии из соседней оболочки самая высокая.

Теперь мы можем ответить на вопрос, какова максимальная энергия кванта характеристического рентгеновского излучения. Она определяется разностью значений энергии уровней, между которыми совершается переход электрона, по формуле E = E n 2 - E n 1 , где E n 2 и E n 1 - энергии электронных состояний, между которыми произошел переход. Наивысшее значение этого параметра дают переходы К-серии с максимально высоких уровней атомов тяжелых элементов. Но интенсивность этих линий (высота пиков) самая малая, поскольку они наименее вероятны.

Если из-за недостаточности напряжения на электродах жесткий электрон не может достичь К-уровня, он образует вакансию на L-уровне, и формируется менее энергичная L-серия с большими длинами волн. Аналогичным образом рождаются последующие серии.

Кроме того, при заполнении вакансии в результате электронного перехода возникает новая вакансия в вышележащей оболочке. Это создает условия для генерирования следующей серии. Электронные вакансии перемещаются выше с уровня на уровень, и атом испускает каскад характеристических спектральных серий, оставаясь при этом ионизированным.

Тонкая структура характеристических спектров

Атомным рентген-спектрам характеристического рентгеновского излучения свойственна тонкая структура, выражающаяся, как и в оптических спектрах, в расщеплении линий.

Тонкая структура связана с тем, что энергетический уровень - электронная оболочка - представляет собой набор тесно расположенных компонентов - подоболочек. Для характеристики подоболочек введено еще одно, внутреннее квантовое число j, отражающее взаимодействие собственного и орбитального магнитных моментов электрона.

В связи с влиянием спин-орбитального взаимодействия энергетическая структура атома усложняется, и в результате характеристическое рентгеновское излучение имеет спектр, которому свойственны расщепленные линии с очень близко расположенными элементами.

Элементы тонкой структуры принято обозначать дополнительными цифровыми индексами.

Характеристическое рентгеновское излучение обладает особенностью, отраженной только в тонкой структуре спектра. Переход электрона на низший энергетический уровень не происходит с нижней подоболочки вышележащего уровня. Такое событие имеет пренебрежимо малую вероятность.

Использование рентгена в спектрометрии

Это излучение благодаря своим особенностям, описанным законом Мозли, лежит в основе различных рентгеноспектральных методов анализа веществ. При анализе рентгеновского спектра применяют либо дифракцию излучения на кристаллах (волнодисперсионный метод), либо чувствительные к энергии поглощенных рентгеновских фотонов детекторы (энергодисперсионный метод). Большинство электронных микроскопов оснащены теми или иными рентгеноспектрометрическими приставками.

Особенно высокой точностью отличается волнодисперсионная спектрометрия. При помощи особых фильтров выделяются наиболее интенсивные пики в спектре, благодаря чему можно получить практически монохроматическое излучение с точно известной частотой. Материал анода выбирается очень тщательно, чтобы обеспечить получение монохроматического пучка нужной частоты. Его дифракция на кристаллической решетке изучаемого вещества позволяет исследовать структуру решетки с большой точностью. Этот метод применяется также в изучении ДНК и других сложных молекул.

Одна из особенностей характеристического рентгеновского излучения учитывается и в гамма-спектрометрии. Это высокая интенсивность характеристических пиков. В гамма-спектрометрах применяется свинцовая защита от внешних фоновых излучений, вносящих помехи в измерения. Но свинец, поглощая гамма-кванты, испытывает внутреннюю ионизацию, в результате чего активно излучает в рентгеновском диапазоне. Для поглощения интенсивных максимумов характеристического рентгеновского излучения свинца используется дополнительная кадмиевая экранировка. Она, в свою очередь, ионизируется и также излучает в рентгене. Для нейтрализации характеристических пиков кадмия применяют третий экранирующий слой - медный, рентгеновские максимумы которого лежат вне рабочего диапазона частот гамма-спектрометра.

Спектрометрия использует и тормозное, и характеристическое рентгеновское излучение. Так, при анализе веществ исследуются спектры поглощения сплошного рентгена различными веществами.