Ce știm despre razele X?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

În secolul al XIX-lea, radiațiile invizibile pentru ochiul uman, capabile să treacă prin carne și alte materiale, părea ceva complet fantastic. Acum, razele X sunt utilizate pe scară largă pentru a crea imagini medicale, pentru a efectua radioterapie, pentru a analiza opere de artă și pentru a rezolva problemele legate de energia nucleară.

Cum au fost descoperite radiațiile cu raze X și cum îi ajută pe oameni - aflăm împreună cu fizicianul Alexander Nikolaevich Dolgov.

Descoperirea razelor X

De la sfârșitul secolului al XIX-lea, știința a început să joace un rol fundamental nou în modelarea imaginii lumii. Cu un secol în urmă, activitățile oamenilor de știință erau de natură amator și privată. Cu toate acestea, până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, ca urmare a revoluției științifice și tehnologice, știința s-a transformat într-o activitate sistematică în care fiecare descoperire a devenit posibilă datorită contribuției multor specialiști.

Au început să apară institute de cercetare, reviste științifice periodice, a apărut competiție și luptă pentru recunoașterea dreptului de autor pentru realizările științifice și inovațiile tehnice. Toate aceste procese au avut loc în Imperiul German, unde până la sfârșitul secolului al XIX-lea, Kaiserul a încurajat realizările științifice care au sporit prestigiul țării pe scena mondială.

Unul dintre oamenii de știință care a lucrat cu entuziasm în această perioadă a fost profesorul de fizică, rectorul Universității din Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. La 8 noiembrie 1895, a rămas până târziu în laborator, așa cum se întâmpla adesea, și a decis să efectueze un studiu experimental al descărcării electrice în tuburile vidate din sticlă. A întunecat camera și a înfășurat unul dintre tuburi în hârtie neagră opac pentru a facilita observarea fenomenelor optice care însoțesc descărcarea. Spre surprinderea mea

Roentgen a văzut o bandă de fluorescență pe un ecran din apropiere acoperit cu cristale de cianoplatinită de bariu. Este puțin probabil ca un om de știință să-și imagineze atunci că se află în pragul uneia dintre cele mai importante descoperiri științifice ale timpului său. Anul viitor se vor scrie peste o mie de publicații despre raze X, medicii vor pune imediat în funcțiune invenția, datorită acesteia, radioactivitatea va fi descoperită în viitor și vor apărea noi direcții ale științei.

Roentgen și-a dedicat următoarele câteva săptămâni investigării naturii strălucirii de neînțeles și a descoperit că fluorescența a apărut ori de câte ori aplica curent tubului. Tubul era sursa radiației, nu o altă parte a circuitului electric. Neștiind cu ce se confrunta, Roentgen a decis să desemneze acest fenomen drept raze X, sau raze X. Mai mult, Roentgen a descoperit că această radiație poate pătrunde aproape în toate obiectele la diferite adâncimi, în funcție de grosimea obiectului și de densitatea substanței.

Astfel, un mic disc de plumb între tubul de descărcare și ecran s-a dovedit a fi impermeabil la raze X, iar oasele mâinii aruncă o umbră mai întunecată pe ecran, înconjurate de o umbră mai deschisă din țesuturile moi. Curând, omul de știință a aflat că razele X provoacă nu numai strălucirea ecranului acoperit cu cianoplatinit de bariu, ci și întunecarea plăcilor fotografice (după dezvoltare) în acele locuri în care razele X au căzut pe emulsia fotografică.

În cursul experimentelor sale, Roentgen a fost convins că a descoperit radiații necunoscute științei. La 28 decembrie 1895, a raportat despre rezultatele cercetării într-un articol „On a new type of radiation” din revista Annals of Physics and Chemistry. În același timp, le-a trimis oamenilor de știință pozele cu mâna soției sale, Anna Bertha Ludwig, care ulterior a devenit celebră.

Datorită vechiului prieten al lui Roentgen, fizicianul austriac Franz Exner, locuitorii Vienei au fost primii care au văzut aceste fotografii la 5 ianuarie 1896 pe paginile ziarului Die Presse. Chiar a doua zi, informații despre deschidere au fost transmise ziarului London Chronicle. Deci descoperirea lui Roentgen a început să intre treptat în viața de zi cu zi a oamenilor. Aplicația practică a fost găsită aproape imediat: la 20 ianuarie 1896, în New Hampshire, medicii au tratat un bărbat cu un braț rupt folosind o nouă metodă de diagnostic - o radiografie.

Utilizarea timpurie a razelor X

De-a lungul mai multor ani, imaginile cu raze X au început să fie utilizate în mod activ pentru operații mai precise. La 14 zile de la deschidere, Friedrich Otto Valkhoff a făcut prima radiografie dentară. Și după aceea, împreună cu Fritz Giesel, au fondat primul laborator de raze X dentare din lume.

Până în 1900, la 5 ani de la descoperirea sa, utilizarea razelor X în diagnostic a fost considerată o parte integrantă a practicii medicale.

Statisticile întocmite de cel mai vechi spital din Pennsylvania pot fi considerate indicative ale răspândirii tehnologiilor bazate pe radiații cu raze X. Potrivit ei, în 1900, doar aproximativ 1-2% dintre pacienți au primit ajutor cu raze X, în timp ce până în 1925 erau deja 25%.

Razele X erau folosite într-un mod foarte neobișnuit la acea vreme. De exemplu, au fost folosite pentru a oferi servicii de epilare. Multă vreme, această metodă a fost considerată preferabilă în comparație cu cele mai dureroase - forceps sau ceară. În plus, razele X au fost folosite în aparatele de montare a pantofilor - fluoroscoape de încercare (pedoscoape). Erau aparate cu raze X cu o crestătură specială pentru picioare, precum și ferestre prin care clientul și vânzătorii puteau evalua modul în care se așează pantofii.

Utilizarea timpurie a imaginilor cu raze X dintr-o perspectivă modernă de siguranță ridică multe întrebări. Problema era că la momentul descoperirii razelor X nu se știa practic nimic despre radiații și consecințele acesteia, motiv pentru care pionierii care au folosit noua invenție s-au confruntat cu efectele ei nocive din propria experiență. Consecințele negative ale expunerii crescute a devenit un fenomen de masă la începutul secolului 19. Secolele XX, iar oamenii au început treptat să-și dea seama de pericolele utilizării fără minte a razelor X.

Natura razelor X

Radiația de raze X este radiație electromagnetică cu energii fotonice de la ~ 100 eV până la 250 keV, care se află la scara undelor electromagnetice între radiația ultravioletă și radiația gamma. Face parte din radiația naturală care apare în radioizotopi atunci când atomii elementelor sunt excitați de un flux de electroni, particule alfa sau cuante gamma, în care electronii sunt ejectați din învelișurile de electroni ale atomului. Radiația cu raze X apare atunci când particulele încărcate se mișcă cu accelerație, în special atunci când electronii sunt decelerati, în câmpul electric al atomilor unei substanțe.

Se disting razele X moi și dure, granița condiționată între care pe scara lungimii de undă este de aproximativ 0,2 nm, ceea ce corespunde unei energii fotonice de aproximativ 6 keV. Radiația de raze X este atât pătrunzătoare, datorită lungimii de undă scurte, cât și ionizantă, deoarece, atunci când trece printr-o substanță, interacționează cu electronii, scoțându-i din atomi, rupându-i astfel în ioni și electroni și schimbând structura substanței pe pe care acţionează.

Razele X fac să strălucească un compus chimic numit fluorescență. Iradierea atomilor probei cu fotoni de înaltă energie determină emisia de electroni - aceștia părăsesc atomul. Într-unul sau mai mulți orbitali de electroni, se formează „găuri” - locuri vacante, datorită cărora atomii intră într-o stare excitată, adică devin instabili. Milioane de secundă mai târziu, atomii revin la o stare stabilă, când locurile libere din orbitalii interiori sunt umplute cu electroni din orbitalii exteriori.

Această tranziție este însoțită de emisia de energie sub formă de foton secundar, prin urmare apare fluorescența.

Astronomie cu raze X

Pe Pământ, întâlnim rar raze X, dar se găsesc destul de des în spațiu. Acolo apare în mod natural datorită activității multor obiecte spațiale. Acest lucru a făcut posibilă astronomia cu raze X. Energia fotonilor de raze X este mult mai mare decât a celor optici, prin urmare, în domeniul de raze X emite o substanță încălzită la temperaturi extrem de ridicate.

Aceste surse cosmice de radiație cu raze X nu sunt o parte vizibilă a radiației naturale de fond pentru noi și, prin urmare, nu amenință oamenii în niciun fel. Singura excepție poate fi o astfel de sursă de radiații electromagnetice dure precum o explozie de supernovă, care a avut loc destul de aproape de sistemul solar.

Cum se creează raze X artificial?

Dispozitivele cu raze X sunt încă utilizate pe scară largă pentru introscopia nedistructivă (imagini cu raze X în medicină, detectarea defectelor în tehnologie). Componenta lor principală este un tub cu raze X, care constă dintr-un catod și un anod. Electrozii tubulaturi sunt conectați la o sursă de înaltă tensiune, de obicei de zeci sau chiar sute de mii de volți. Când este încălzit, catodul emite electroni, care sunt accelerați de câmpul electric generat între catod și anod.

Ciocnind cu anodul, electronii sunt decelerati și își pierd cea mai mare parte din energie. În acest caz, apare radiația bremsstrahlung din domeniul de raze X, dar partea predominantă a energiei electronilor este convertită în căldură, astfel încât anodul este răcit.

Tubul cu raze X cu acțiune constantă sau pulsată este încă cea mai răspândită sursă de radiații cu raze X, dar este departe de a fi singura. Pentru a obține impulsuri de radiație de mare intensitate, se folosesc descărcări de curent înalt, în care canalul de plasmă al curentului care curge este comprimat de propriul câmp magnetic al curentului - așa-numita ciupire.

Dacă descărcarea are loc într-un mediu de elemente ușoare, de exemplu, într-un mediu de hidrogen, atunci ea joacă rolul unui accelerator eficient de electroni prin câmpul electric care apare în descărcarea în sine. Această descărcare poate depăși semnificativ câmpul generat de o sursă externă de curent. În acest fel, se obțin impulsuri de radiație cu raze X dure cu energie mare a cuantelor generate (sute de kiloelectronvolți), care au o putere mare de penetrare.

Pentru a obține raze X într-un interval spectral larg, se folosesc acceleratori de electroni - sincrotroni. În ele, radiația se formează în interiorul unei camere inelare în vid, în care un fascicul de electroni de înaltă energie îngust direcționat, accelerat aproape la viteza luminii, se mișcă pe o orbită circulară. În timpul rotației, sub influența unui câmp magnetic, electronii zburători emit fascicule de fotoni tangențial la orbită într-un spectru larg, al căror maxim se încadrează în domeniul de raze X.

Cum sunt detectate razele X

Pentru o lungă perioadă de timp, un strat subțire de fosfor sau emulsie fotografică aplicat pe suprafața unei plăci de sticlă sau a unui film polimeric transparent a fost folosit pentru a detecta și măsura radiația cu raze X. Primul a strălucit în domeniul optic al spectrului sub acțiunea radiației cu raze X, în timp ce transparența optică a acoperirii s-a schimbat în film sub acțiunea unei reacții chimice.

În prezent, detectoarele electronice sunt folosite cel mai adesea pentru a înregistra radiația cu raze X - dispozitive care generează un impuls electric atunci când o cantitate de radiație este absorbită în volumul sensibil al detectorului. Ele diferă prin principiul transformării energiei radiațiilor absorbite în semnale electrice.

Detectoarele de raze X cu înregistrare electronică pot fi împărțite în ionizare, a cărei acțiune se bazează pe ionizarea unei substanțe și radioluminiscente, inclusiv scintilație, folosind luminescența unei substanțe sub acțiunea radiației ionizante. Detectoarele de ionizare, la rândul lor, sunt împărțite în umplute cu gaz și semiconductor, în funcție de mediul de detectare.

Principalele tipuri de detectoare umplute cu gaz sunt camerele de ionizare, contoarele Geiger (contoare Geiger-Muller) și contoarele proporționale cu descărcare de gaz. Cuantele de radiație care intră în mediul de lucru al contorului provoacă ionizarea gazului și fluxul de curent, care este înregistrat. Într-un detector cu semiconductor, perechile electron-gaură se formează sub acțiunea cuantelor de radiație, care fac, de asemenea, posibilă trecerea unui curent electric prin corpul detectorului.

Componenta principală a contoarelor de scintilație dintr-un dispozitiv de vid este un tub fotomultiplicator (PMT), care utilizează efectul fotoelectric pentru a converti radiația într-un flux de particule încărcate și fenomenul de emisie secundară de electroni pentru a îmbunătăți curentul particulelor încărcate generate. Fotomultiplicatorul are un fotocatod și un sistem de electrozi de accelerare secvențial - dinode, la impact asupra cărora se înmulțesc electronii accelerați.

Multiplicatorul de electroni secundar este un dispozitiv de vid deschis (funcționează numai în condiții de vid), în care radiația de raze X la intrare este convertită într-un flux de electroni primari și apoi amplificată datorită emisiei secundare de electroni pe măsură ce aceștia se propagă în canalul multiplicator..

Plăcile cu microcanale, care sunt un număr mare de canale microscopice separate care pătrund în detectorul de plăci, funcționează conform aceluiași principiu. Ele pot oferi în plus rezoluție spațială și formarea unei imagini optice a secțiunii transversale a fluxului incident pe detectorul de radiații de raze X prin bombardarea fluxului de electroni de ieșire al unui ecran semitransparent cu un fosfor depus pe acesta.

Raze X în medicină

Capacitatea razelor X de a străluci prin obiecte materiale nu numai că oferă oamenilor posibilitatea de a crea raze X simple, dar deschide și posibilități pentru instrumente de diagnosticare mai avansate. De exemplu, se află în centrul tomografiei computerizate (CT).

Sursa de raze X și receptorul se rotesc în interiorul inelului în care se află pacientul. Datele obținute despre modul în care țesuturile corpului absorb razele X sunt reconstruite de un computer într-o imagine 3D. CT este deosebit de important pentru diagnosticarea accidentului vascular cerebral și, deși este mai puțin precis decât imagistica prin rezonanță magnetică a creierului, durează mult mai puțin timp.

O direcție relativ nouă, care se dezvoltă acum în microbiologie și medicină, este utilizarea radiațiilor moi de raze X. Când un organism viu este translucid, face posibilă obținerea unei imagini a vaselor de sânge, studierea în detaliu a structurii țesuturilor moi și chiar efectuarea de studii microbiologice la nivel celular.

Un microscop cu raze X care utilizează radiația de la o descărcare de tip strângere în plasma elementelor grele face posibilă vizualizarea unor astfel de detalii ale structurii unei celule vii,care nu poate fi văzut la microscopul electronic nici măcar într-o structură celulară special pregătită.

Unul dintre tipurile de radioterapie utilizate pentru tratarea tumorilor maligne folosește raze X dure, ceea ce devine posibil datorită efectului său ionizant, care distruge țesutul unui obiect biologic. În acest caz, un accelerator de electroni este folosit ca sursă de radiație.

Radiografia în tehnologie

Raze X moi sunt utilizate în cercetările care vizează rezolvarea problemei fuziunii termonucleare controlate. Pentru a începe procesul, trebuie să creați o undă de șoc de recul prin iradierea unei mici ținte de deuteriu și tritiu cu raze X moi de la o descărcare electrică și încălzirea instantanee a carcasei acestei ținte la o stare de plasmă.

Această undă comprimă materialul țintă la o densitate de mii de ori mai mare decât densitatea unui solid și îl încălzește până la o temperatură termonucleară. Eliberarea energiei de fuziune termonucleară are loc într-un timp scurt, în timp ce plasma fierbinte se împrăștie prin inerție.

Abilitatea de a translucid face posibilă radiografia - o tehnică de imagistică care vă permite să afișați structura internă a unui obiect opac din metal, de exemplu. Este imposibil să se determine cu ochi dacă structurile podului au fost sudate ferm, dacă cusătura de la conducta de gaz este etanșă și dacă șinele se potrivesc strâns între ele.

Prin urmare, în industrie, razele X sunt utilizate pentru detectarea defectelor - monitorizarea fiabilității principalelor proprietăți și parametri de lucru ai unui obiect sau a elementelor sale individuale, ceea ce nu necesită scoaterea din funcțiune a obiectului sau demontarea acestuia.

Spectrometria de fluorescență cu raze X se bazează pe efectul fluorescenței - o metodă de analiză utilizată pentru a determina concentrațiile elementelor de la beriliu la uraniu în intervalul de la 0,0001 la 100% în substanțe de diferite origini.

Când o probă este iradiată cu un flux puternic de radiație dintr-un tub cu raze X, apare radiația fluorescentă caracteristică a atomilor, care este proporțională cu concentrația lor în probă. În prezent, practic fiecare microscop electronic face posibilă determinarea, fără nicio dificultate, a compoziției elementare detaliate a micro-obiectelor studiate prin metoda analizei fluorescenței cu raze X.

Raze X în istoria artei

Capacitatea razelor X de a străluci și de a crea un efect de fluorescență este, de asemenea, folosită pentru a studia picturile. Ceea ce este ascuns sub stratul superior de vopsea poate spune multe despre istoria creării pânzei. De exemplu, în munca pricepută cu mai multe straturi de vopsea, o imagine poate fi găsită a fi unică în opera unui artist. De asemenea, este important să țineți cont de structura straturilor picturii atunci când alegeți cele mai potrivite condiții de depozitare pentru pânză.

Pentru toate acestea, radiația cu raze X este indispensabilă, permițându-vă să priviți sub straturile superioare ale imaginii fără a-i afecta.

Evoluții importante în această direcție sunt noile metode specializate de lucru cu opere de artă. Fluorescența macroscopică este o variantă a analizei fluorescenței cu raze X, care este potrivită pentru vizualizarea structurii de distribuție a elementelor cheie, în principal a metalelor, prezente în zone de aproximativ 0,5-1 metru pătrat sau mai mult.

Pe de altă parte, laminografia cu raze X, o variantă a tomografiei cu raze X computerizate, care este mai potrivită pentru studiul suprafețelor plane, pare promițătoare pentru obținerea de imagini ale straturilor individuale ale unei imagini. Aceste metode pot fi folosite și pentru a studia compoziția chimică a stratului de vopsea. Acest lucru permite datarea pânzei, inclusiv pentru a identifica un fals.

Razele X vă permit să aflați structura unei substanțe

Cristalografia cu raze X este o direcție științifică asociată cu identificarea structurii materiei la nivel atomic și molecular. O trăsătură distinctivă a corpurilor cristaline este o repetare multiplă ordonată în structura spațială a acelorași elemente (celule), constând dintr-un anumit set de atomi, molecule sau ioni.

Principala metodă de cercetare constă în expunerea unei probe cristaline la un fascicul îngust de raze X cu ajutorul unei camere cu raze X. Fotografia rezultată arată o imagine a razelor X difractate care trec prin cristal, din care oamenii de știință pot apoi afișa vizual structura sa spațială, numită rețea cristalină. Diverse moduri de implementare a acestei metode sunt numite analiză structurală cu raze X.

Analiza structurală cu raze X a substanțelor cristaline constă în două etape:

1. Determinarea dimensiunii celulei unitare a cristalului, a numărului de particule (atomi, molecule) din celula unitară și a simetriei aranjamentului particulelor. Aceste date sunt obținute prin analiza geometriei locației maximelor de difracție.
2. Calculul densității electronilor în interiorul celulei unitare și determinarea coordonatelor atomice, care se identifică cu poziția maximelor densității electronice. Aceste date sunt obținute prin analiza intensității maximelor de difracție.

Unii biologi moleculari prezic că în imagistica celor mai mari și mai complexe molecule, cristalografia cu raze X poate fi înlocuită cu o nouă tehnică numită microscopie electronică criogenică.

Unul dintre cele mai noi instrumente în analiza chimică a fost scanerul de film al lui Henderson, pe care l-a folosit în munca sa de pionierat în microscopia electronică criogenică. Cu toate acestea, această metodă este încă destul de costisitoare și, prin urmare, este puțin probabil să înlocuiască complet cristalografia cu raze X în viitorul apropiat.

O zonă relativ nouă de cercetare și aplicații tehnice asociate cu utilizarea razelor X este microscopia cu raze X. Este conceput pentru a obține o imagine mărită a obiectului studiat în spațiu real în două sau trei dimensiuni folosind optica de focalizare.

Limita de difracție a rezoluției spațiale în microscopia cu raze X datorită lungimii de undă mici a radiației utilizate este de aproximativ 1000 de ori mai bună decât valoarea corespunzătoare pentru un microscop optic. În plus, puterea de penetrare a radiațiilor X face posibilă studierea structurii interne a probelor care sunt complet opace la lumina vizibilă.

Și deși microscopia electronică are avantajul unei rezoluții spațiale puțin mai mari, nu este o metodă de investigare nedistructivă, deoarece necesită vid și probe cu suprafețe metalice sau metalizate, ceea ce este complet distructiv, de exemplu, pentru obiectele biologice.