Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Рентгенівське та радіоактивне випромінювання Історія відкриття Х променів

Скачати 332.76 Kb.

Рентгенівське та радіоактивне випромінювання Історія відкриття Х променів




Скачати 332.76 Kb.
Сторінка1/4
Дата конвертації13.06.2017
Розмір332.76 Kb.
  1   2   3   4

Рентгенівське та радіоактивне випромінювання

Історія відкриття х променів

Рентгенівське випромінювання – це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі від 80 нм до нм і займає спектральну область між гамма і ультрафіолетовим випромінюванням.

Радіоакти́вність (від лат. radio - «випромінюю» radius - «промінь» і activus - «дієвий») - явище мимовільного перетворення нестійкого ізотопа хімічного елементу в інший ізотоп (зазвичай іншого елемента) (радіоактивний розпад) шляхом випромінювання гамма-квантів, елементарних частинок або ядерних фрагментів.
Електромагні́тна хви́ля - процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі у вигляді змінних зв'язаних між собою електричного та магнітного полів. Прикладами електромагнітних хвиль є світло, радіохвилі, рентгенівські промені, гамма-промені.
Довжина - відстань від точки до точки, вимір кривої: для відрізка прямої довжина - відстань між його кінцями, для ламаної - сума довжин її ланок, для інших кривих - верхня границя довжини ламаної лінії, вписаної в цю криву.
Ультрафіолетове випромінювання (від лат. ultra - «за межами»), скорочено УФ-випромінювання або ультрафіолет - невидиме оком людини електромагнітне випромінювання, що посідає спектральну область між видимим і рентгенівським випромінюваннями в межах довжин хвиль 400-10 нм.
У медицині для рентгенодіагностики і рентгенотерапії застосовують рентгенівське випромінювання з довжиною хвиль від 10 нм до нм.
В оптиці спе́ктром (лат. spectrum - привид) називається сукупність монохроматичних випромінювань, що належать до складу складного випромінювання. Спектр випромінювання може описуватися графічною, аналітичною або табличною залежністю.

Вперше про відкриття Х променів, які виникали при співударі швидких електронів з речовиною (названих Х променями) було повідомлено у листопаді 1895 р. німецьким фізиком Вільямом Рентгеном.

Задовго до перших досліджень Рентгена Х промені відкрив український фізик світового рівня, родом з Тернопільщини Іван Пулюй (1845-1918 р.). Народився Іван у містечку Гримайлові. Після завершення навчання у Тернопільській гімназії закінчив теологічний і філософські факультети Віденського університету, а у 1877 році в Страсбурзі захистивши дисертацію з фізики здобув науковий ступень доктора натуральної філософії. У 1884 році Міністерство освіти Австрії призначає І.Пулюя професором експериментальної і технічної фізики Німецької вищої технічної школи у Празі, а через п’ять років його обирають ректором цього ж навчального закладу.

За видатні наукові і педагогічні досягнення з фізики та електротехніки в 1906 році І.Пулюй був нагороджений орденом Залізної корони, в 1910 році отримав титул радника цісарського двору.

Міністе́рство осві́ти і нау́ки Украї́ни (МОН України) - центральний орган виконавчої влади України.
Натурфілосо́фія (лат. natura - «природа») - філософія природи, тлумачення природи, розглянутій в її цілісності. Кордони між натурфілософією і природознавством, а також її місце у філософії історично змінювалися.
Віденський університет (нім. Universität Wien, лат. Alma Mater Rudolphina Vindobonensis) - державний університет, розташований у Відні, Австрія. Заснований у 1365 році, є одним із найстаріших та найбільших університетів Європи.
Навча́льний заклад (осві́тній заклад) - організація, що на постійній і безперервній основі здійснює освітній процес з метою навчання, виховання, розвитку і самовдосконалення особистості.
О́рден Залі́зної Коро́ни (італ. Imperial Ordine della Corona Ferrea, нім. Österreichisch-Kaiserlicher Orden der Eisernen Krone) - орден, названий на честь Залізної корони лангобардського королівства.

Важко переоцінити роль І.Пулюя у дослідженні Х променів. Ще на початку 1895 року І.Пулюй спостерігав дію невидимих променів, проте не поспішав повідомляти про них науковий світ.

Науко́вий світ або академічний світ (англ. Academia) - це спільнота вчених та студентів, що займаються вищою освітою та дослідницькою працею.
Після попереднього повідомлення про відкриття нового виду променів, яке Рентген зробив 28 грудня 1895 року, І.Пулюй 13 лютого і 5 березня 1896 року опублікував дві статті про виникнення та фотографічну дію Х променів, і лише 9 березня 1896 року та у травні 1897 року з’являються статті Рентгена, присвячені результатам досліджень властивостей Х променів. Крім того І.Пулюй належить першість у відкритті іонізаційної здатності Х променів, у дослідженні їх просторового розподілу та поясненні механізму виникнення.

Рис. 8.1


Рентгенівські (Х промені) виникають у трубках Пулюя – скляних балонах, з яких викачено повітря до тиску і в які впаяні катод і анод (рис. 8.1). Останній зроблений з тугоплавкого металу. Спіраль катода розігрівається електричним струмом від джерел розжарювання і випромінює електрони, які прискорюючись електричним полем бомбардують анод, у результаті чого виникає Х випромінювання.
Електри́чний струм (англ. electric current) - упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у просторі.
Електричне поле (англ. Electric field) - одна зі складових електромагнітного поля, що існує навколо тіл або частинок, що мають електричний заряд, а також у вільному вигляді при зміні магнітного поля (наприклад, в електромагнітних хвилях).

Рис.8.2

І


нтенсивність Х випромінювання пропорціональна квадратові напруги між анодом і катодом, атомному номеру речовини анода і силі струму:

,

(8.1)

де - коефіцієнт пропорціональності.
Гальмівне Х випромінювання

Гальмівне Х випромінювання виникає у результаті гальмування швидких електронів (1 еВ – енергія, яку набуває електрон рухаючись в електричному полі між точками, різниця потенціалів між якими рівна 1 В) електростатичним полем атомних електронів речовини анода.

Електростатичне поле - поле, створене нерухомими в просторі і незмінними в часі електричними зарядами (при відсутності електричних струмів). Електричне поле є особливим видом матерії, пов'язаний з електричними зарядами і передаючий дії зарядів один на одного.
Різниця потенціалів - характеристика електричного поля, різниця електростатичних потенціалів у двох точках простору.

Нехай вся кінетична енергія електрона перетворюється в енергію фотона

тоді , звідки



(8.2)

Враховуючи значення постійної Планка, швидкості світла і заряду електрона в системі СІ, одержуємо:



(8.3)

де - мінімальна довжина рентгенівського випромінювання при даному .

Швидкість світла - фізичний термін, який використовується у двох, пов'язаних між собою, але концептуально різних значеннях. Перш за все швидкість світла - фундаментальна фізична стала, швидкість розповсюдження електромагнітної взаємодії у вакуумі.
Елемента́рний електри́чний заря́д - фізична константа, яка характеризує силу електромагнітної взаємодії, абсолютне значення заряду електрона.
Кінети́чна ене́ргія - частина енергії фізичної системи, яку вона має завдяки руху.
Рентге́нівське випромі́нювання, пулюївське випромінювання або Х-промені (англ. X-ray emission, roentgen radiation, нім. Röntgenstrahlung f) - короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 10 нм до 0.

Довжина рентгенівської хвилі, на яку припадає максимум енергії випромінювання, пов’язана з мінімальною довжиною рентгенівської хвилі для даної високої напруги слідкуючою залежністю:





(8.4)

Характер суцільного спектру гальмівного рентгенівського випромінювання залежить від матеріалу анода.

Спектр гальмівного Х випромінювання є суцільним і залежить від прикладеної напруги між катодом і анодом.


Характеристика Х випромінювання

Характеристичне випромінювання виникає після іонізації атома, при якому відбуваються електронні переходи в оболонках ближчих до ядра.

При збільшенні напруги між катодом і анодом спектр Х випромінювання буде змінюватися у бік коротких хвиль як і у випадку гальмівного випромінювання.

Рис. 8.3


Характеристичний (лінійчатий) спектр зумовлений вибиванням прискорених електронів із внутрішніх шарів атома, в результаті чого випромінюється кванти . Експериментально було показано Мозлі, що:



(8.5)

де і - сталі величини,

- частота спектральної лінії,

атомний номер елемента.
Спектральна лінія - світла або темна вузька смуга в оптичному спектрі, пов'язана з надлишком або відсутністю фотонів з відповідною частотою.
Гальмі́вне випромі́нювання (англ. Bremsstrahlung or "deceleration radiation" - Бремсштралум) - електромагнітне випромінювання заряджених частинок при зіткненні з іншими зарядженими частинками, зазвичай електронами чи атомними ядрами.
А́томний но́мер (протонне число,зарядове число, порядковий номер, Z) - властивість атома (нукліда, атомного ядра), яка вказує на загальну кількість протонів, що містяться в його ядрі, отже одночасно вказує на його заряд в одиницях елементарного заряду, а також на порядкове місце хімічного елемента в періодичній системі хімічних елементів.

Квадратний корінь із частоти відповідних ліній спектра різних атомів знаходиться в лінійній залежності від порядкового номера елемента.

Характеристичні спектри атомів, на відміну від оптичних, у сполуках і у вільному стані мають однаковий вигляд.
Взаємодія Х випромінювання з речовиною.

Поглинання Х випромінювання характеризується коефіцієнтом , який пропорціональний четвертому степені атомного номера речовини, третьому степені довжини хвилі , густині речовини і товщині :



Порівняємо коефіцієнти для кісток (до складу яких входять головним чином кальцій, фосфор та кисень) і води



Звідси випливає, що кістки вбирають Х випромінювання в 150 разів сильніше ніж м’які тканини.

Довжина́ хви́лі - характеристика періодичної хвилі, що позначає найменшу відстань між точками простору, в яких хвиля має однакову фазу. Крива на представленому малюнку може розглядатися, наприклад, як миттєвий знімок збурень в струні, коли відхилення точок струни від положнення рівноваги задається виразом
При проходженні Х променів через тіло людини на флуоресціюючому екрані (рентгенівській плівці) будуть спостерігатися області з різними ступенями освітленості.
Людське тіло - фізична структура людини, людський організм. Тіло людини утворено клітинами різних типів, характерним чином організується в тканини, які формують органи, заповнюють простір між ними або покривають зовні.
Менш різкі тіні, ніж кістки і метали дають такі органи, як серце, легені та ін.

Тіньове зображення шлунка та кишок стає чітким, якщо в них ввести сульфат барію у вигляді каші, який поглинає випромінювання сильніше, ніж середовище.

Сульфа́т ба́рію, ба́рій сульфа́т - неорганічна сполука, барієва сіль сульфатної кислоти складу BaSO4. Сіль є нерозчинною у воді, етанолі, розчинна у концентрованій сульфатній кислоті.
У деяких випадках як контрастні речовини використовують гази. Їхня густина менша від густини тканин, тому вони поглинають випромінювання слабше.

За одиницю експозиційної дози Х випромінювання приймається така доза рентгенівського -випромінювання, яка внаслідок іонізації 1 кг сухого повітря викликає появу електричного заряду в кулона.

Електри́чний заря́д - фізична величина, яка є кількісною мірою властивості фізичних тіл або частинок речовини, що вступають в електромагнітну взаємодію. Електричний заряд звичайно позначають латинськими літерами q або великою буквою Q .

Ця одиниця називається рентгеном. При експозиційній дозі в 1 рентген (1 р) внаслідок повної іонізації під дією рентгенівського і -випромінювання в сухого повітря утворюється близько 2 мільярдів пар іонів. Прийнято вважати, що для тканин організму експозиційна доза 1 р викликає поглинання приблизно на 1 кг маси.

Потужність дози – це величина, вимірювана до часу опромінень. Потужність дози





(8.7)

Людський організм лише без шкоди переносить дози щоденного опромінення до 0,05 рентгена. Дози в 5-400 рентгенів викликають різноманітні ускладнення, а дози близько 500 рентгенів смертельні.

Для захисту від Х променів використовують свинець, товсті шари солей барію, спеціальні сорти скла, що містять у своєму складі багато свинцю.


Рентгенодіагностика і рентгенотерапія.

Розпізнавання захворювань під час просвічування тіла Х випромінюванням називається рентгенодіагностикою.

Рентгенодіагностика поділяється на рентгеноскопію (просвічування) і рентгенографію (отримання світлини). При рентгеноскопії тіньове зображення внутрішніх органів і тканин спостерігають безпосередньо на флуоресцентному екрані.

Орган (від др.-грец. ὄργανον - знаряддя, інструмент) - частина тіла певної форми, що складається з однакових груп тканин і виконує певні функції.
Рентгеноскопію проводять головним чином при рентгенодіагностиці захворювань внутрішніх органів, розташованих в черевній і грудній порожнинах. Недоліками рентгеноскопії є порівняно висока доза опромінення хворого і обслуговуючого персоналу, а також менша у порівнянні з рентгенографією розподільна здатність у виявленні окремих деталей структури кісток, легень, до джерел патологічних вогнищ.

При рентгенографії за тілом пацієнта розташовують касету з фотоплівкою. Зображення при цьому отримують більш чітким, що дає змогу дослідити більш дрібні деталі зображення. Порівняння рентгенограм, зроблених повторно через деякий час, дає можливість стежити за перебігом хвороби чи ефективністю її лікування.

Одним з видів рентгенографії є флюорографія – фотографування зображення з флуоресцентного екрана на плівку. Світлини розглядають за допомогою спеціальних збільшувачів.

Рентгенівська (комп’ютерна) томографія дозволяє порівнювати пошарове зображення отриманих за різних положень джерела випромінювання відносно пацієнта. Порівняння зображень, яке здійснюється комп’ютером дає можливість отримувати певні зрізи досліджуваного органу. Рентгенівські комп’ютерні томографи дозволяють діагностувати майже будь-які порушення макроскопічних структур організму (пухлини, камені в нирках тощо).



Явище радіоактивність. Радіоактивне випромінювання

Одним із джерел іонізуючого випромінювання є радіоактивний розпад атомних ядер.

Я́дерна фі́зика - розділ фізики, який вивчає структуру і властивості атомних ядер, та механізми ядерних реакцій (в тому числі радіоактивний розпад).
Іонізаці́йна радіа́ція - потоки електромагнітних хвиль або частинок речовини, що здатні при взаємодії з речовиною утворювати в ній іони. До іонізаційного випромінення відносять альфа-, бета-, гамма-промені, рентгенівське випромінювання, а також інші високоенергетичні заряджені частинки на кшталт протонів та іонів, отриманих у прискорювачах.
Вивчення радіоактивності, її числових характеристик, взаємодії з живою і неживою речовиною, роботи реєструючих приладів – це основа розуміння студентами – медиками механізму дії іонізуючого випромінювання на тканини і органи організму та його застосування в медицині.


Закон радіоактивного розпаду

Природна радіоактивність це явище самовільного перетворення атомних ядер нестійких ізотопів у стійкі, що супроводжується випромінюванням частинок речовини і високочастотного електромагнітного випромінювання.

Електромагн́ітне випром́інювання (англ. electromagnetic radiation) - взаємопов'язані коливання електричного (Е) i магнітного (B) полів, що утворюють електромагнітне поле а також, процес утворення вільного електро-магнітного поля при нерівномірному русі та взаємодії електричних зарядів.
Радіоактивність була відкрита в 1896 р. французьким фізиком Беккеррелем. Він виявив, що солі урану випускають невидимі промені або частинки, які проникають через непрозорі тіла, викликаючи фотолюмінесценцію, іонізують речовину і здатні засвічувати фотопластинку. Дальші дослідження, які були проведені Л.Кюрі і М. Кюрі – Складовською, показали, що природна радіоактивність властива не тільки для урану, але й для багатьох важких хімічних елементів.
Хімі́чний елеме́нт (заст. первень) - тип атомів з однаковим зарядом атомних ядер (тобто однаковою кількістю протонів в ядрі атому) і певною сукупністю властивостей. Маса ядра атома хімічного елементу може бути різною, в залежності від кількості нейтронів у ньому.

Радіоактивний розпад має імовірнісний характер, так як неможливо передбачити, який саме атом розпадеться. Інтенсивність радіоактивного випромінювання зменшується з часом.

Експериментально було встановлено, що число атомів в, які розпалися за час , пропорційне часу і загальному числу атомів радіоактивного елементу:





(8.8)

де - постійна розпаду. Ця величина пропорційна імовірності розпаду ядра і неоднакова для різних радіоактивних елементів. Знак мінус показує, що число атомів у радіоактивному елементі з часом зменшується.

Інтегрування рівняння (8.7) в межах від до дає





(8.9)

де - число атомів елементу в початковий момент часу ;

Момент часу - точка на часовій осі. Про події, що відповідають одному моменту часу, говорять як про одночасні.



– число атомів того ж елементу в момент часу .

Графічно закон радіоактивного розпаду зображений на рисунку ?????.

Приведемо основні параметри, які характеризують радіоактивний розпад.

Період напіврозпаду - проміжок часу, за який кількість ядер, які розпалися, зменшується вдвоє. Підставляючи в рівняння (8.9) і , одержуємо зв’язок між і :





(8.10)


Рис


Величину називають середнім часом життя радіоактивного ядра.
Пері́од напівро́зпаду (T1/2) - час, протягом якого квантовомеханічна система (ядро атома, елементарна частинка, енергетичний рівень тощо) розпадається з імовірністю 1/2. Якщо розглядається ансамбль незалежних частинок, то протягом одного періоду напіврозпаду кількість частинок, що залишилися, зменшується в середньому вдвічі.
За середній час життя атомів у збудженому стані приймається час, протягом якого число атомів зменшиться в разів.
  1   2   3   4


Скачати 332.76 Kb.

  • Віденського університету
  • Гальмівне Х випромінювання
  • Характеристика Х випромінювання
  • Взаємодія Х випромінювання з речовиною.
  • Рентгенодіагностика і рентгенотерапія.
  • Явище радіоактивність. Радіоактивне випромінювання
  • Закон радіоактивного розпаду