Što znamo o rendgenskim zrakama?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

U 19. stoljeću zračenje nevidljivo ljudskom oku, sposobno proći kroz meso i druge materijale, činilo se kao nešto potpuno fantastično. Sada se X-zrake naširoko koriste za stvaranje medicinskih slika, provođenje terapije zračenjem, analizu umjetničkih djela i rješavanje problema nuklearne energije.

Kako je otkriveno rendgensko zračenje i kako ono pomaže ljudima - doznajemo zajedno s fizičarem Aleksandrom Nikolajevičem Dolgovom.

Otkriće X-zraka

Od kraja 19. stoljeća znanost je počela igrati temeljno novu ulogu u oblikovanju slike svijeta. Prije jednog stoljeća aktivnosti znanstvenika bile su amaterske i privatne prirode. No, do kraja 18. stoljeća, kao rezultat znanstveno-tehnološke revolucije, znanost se pretvorila u sustavnu djelatnost u kojoj je svako otkriće postalo moguće zahvaljujući doprinosu brojnih stručnjaka.

Počeli su se pojavljivati istraživački instituti, periodični znanstveni časopisi, nastala je konkurencija i borba za priznavanje autorskih prava za znanstvena dostignuća i tehničke inovacije. Svi ti procesi odvijali su se u Njemačkom Carstvu, gdje je do kraja 19. stoljeća Kaiser poticao znanstvena dostignuća koja su podigla prestiž zemlje na svjetskoj sceni.

Jedan od znanstvenika koji su s entuzijazmom radili u tom razdoblju bio je profesor fizike, rektor Sveučilišta u Würzburgu Wilhelm Konrad Roentgen. 8. studenog 1895. ostao je do kasno u laboratoriju, što se često događalo, i odlučio provesti eksperimentalno istraživanje električnog pražnjenja u staklenim vakuumskim cijevima. Zamračio je prostoriju i jednu od cijevi zamotao u neprozirni crni papir kako bi lakše promatrao optičke pojave koje prate pražnjenje. Na moje iznenađenje

Roentgen je vidio fluorescentnu traku na obližnjem ekranu prekrivenom kristalima barij cijanoplatinita. Malo je vjerojatno da bi znanstvenik tada mogao zamisliti da je bio na rubu jednog od najvažnijih znanstvenih otkrića svog vremena. Sljedeće godine bit će napisano preko tisuću publikacija o rendgenskim zrakama, liječnici će odmah uzeti izum u službu, zahvaljujući njemu će se u budućnosti otkriti radioaktivnost i pojavit će se novi smjerovi znanosti.

Roentgen je sljedećih nekoliko tjedana posvetio istraživanju prirode neshvatljivog sjaja i otkrio da se fluorescencija pojavljuje svaki put kad je primijenio struju na cijev. Cijev je bila izvor zračenja, a ne neki drugi dio električnog kruga. Ne znajući s čime se suočava, Roentgen je odlučio ovu pojavu označiti kao X-zrake, odnosno X-zrake. Nadalje, Roentgen je otkrio da ovo zračenje može prodrijeti u gotovo sve objekte na različite dubine, ovisno o debljini objekta i gustoći tvari.

Tako se mali olovni disk između cijevi za pražnjenje i zaslona pokazao nepropusnim za rendgenske zrake, a kosti šake bacale su tamniju sjenu na ekran, okružene svjetlijom sjenom mekih tkiva. Ubrzo je znanstvenik otkrio da rendgenske zrake uzrokuju ne samo sjaj ekrana prekrivenog barijevim cijanoplatinitom, već i zamračenje fotografskih ploča (nakon razvoja) na onim mjestima gdje su X-zrake pale na fotografsku emulziju.

Tijekom svojih eksperimenata, Roentgen je bio uvjeren da je otkrio zračenje nepoznato znanosti. 28. prosinca 1895. izvijestio je o rezultatima istraživanja u članku "O novoj vrsti zračenja" u časopisu Annals of Physics and Chemistry. Istovremeno je znanstvenicima poslao slike ruke svoje supruge Anne Berthe Ludwig, koje su kasnije postale poznate.

Zahvaljujući starom Roentgenovom prijatelju, austrijskom fizičaru Franzu Exneru, stanovnici Beča prvi su vidjeli ove fotografije 5. siječnja 1896. godine na stranicama lista Die Presse. Već sljedećeg dana informacija o otvaranju prenijeta je u novine London Chronicle. Tako je otkriće Roentgena postupno počelo ulaziti u svakodnevni život ljudi. Praktična primjena pronađena je gotovo odmah: 20. siječnja 1896. u New Hampshireu liječnici su novom dijagnostičkom metodom – rendgenskom snimkom – liječili čovjeka sa slomljenom rukom.

Rana upotreba rendgenskih zraka

Tijekom nekoliko godina, rendgenske slike počele su se aktivno koristiti za točnije operacije. Već 14 dana nakon njihova otvaranja, Friedrich Otto Valkhoff napravio je prvu rentgensku snimku zuba. I nakon toga, zajedno s Fritzom Gieselom, osnovali su prvi dentalni rendgenski laboratorij na svijetu.

Do 1900. godine, 5 godina nakon njegovog otkrića, korištenje X-zraka u dijagnostici smatralo se sastavnim dijelom medicinske prakse.

Statistike koje je prikupila najstarija bolnica u Pennsylvaniji mogu se smatrati pokazateljima širenja tehnologija temeljenih na rendgenskom zračenju. Prema njezinim riječima, 1900. godine samo oko 1-2% bolesnika dobivalo je pomoć rendgenskim zrakama, dok ih je do 1925. godine već bilo 25%.

X-zrake su u to vrijeme korištene na vrlo neobičan način. Primjerice, korišteni su za pružanje usluga uklanjanja dlačica. Dugo se vremena ova metoda smatrala poželjnom u usporedbi s bolnijim - pincetom ili voskom. Osim toga, X-zrake su korištene u aparatima za ugradnju cipela - fluoroskopima za isprobavanje (pedoskopi). Radilo se o rendgenskim aparatima s posebnim urezom za stopala, kao i prozorima kroz koje su klijent i prodavači mogli ocijeniti kako su cipele sjeli.

Rana upotreba rendgenskog snimanja iz moderne sigurnosne perspektive postavlja mnoga pitanja. Problem je bio što se u vrijeme otkrića X-zraka praktički ništa nije znalo o zračenju i njegovim posljedicama, zbog čega su se pioniri koji su koristili novi izum u vlastitom iskustvu suočili s njegovim štetnim učincima. Negativne posljedice povećane izloženosti postala masovna pojava na prijelazu iz 19. st. XX. stoljeća, a ljudi su postupno počeli shvaćati opasnost od bezumne upotrebe X-zraka.

Priroda rendgenskih zraka

Rentgensko zračenje je elektromagnetsko zračenje s energijama fotona od ~ 100 eV do 250 keV, koje se nalazi na ljestvici elektromagnetskih valova između ultraljubičastog zračenja i gama zračenja. To je dio prirodnog zračenja koje se javlja u radioizotopima kada su atomi elemenata pobuđeni strujom elektrona, alfa čestica ili gama kvanta, pri čemu se elektroni izbacuju iz elektronskih omotača atoma. Rentgensko zračenje nastaje kada se nabijene čestice pomiču ubrzano, posebno kada se elektroni usporavaju, u električnom polju atoma tvari.

Razlikuju se meke i tvrde X-zrake, uvjetna granica između kojih je na skali valnih duljina oko 0,2 nm, što odgovara energiji fotona od oko 6 keV. Rentgensko zračenje je i prodorno, zbog svoje kratke valne duljine, i ionizirajuće, jer pri prolasku kroz tvar dolazi u interakciju s elektronima, izbijajući ih iz atoma, razbijajući ih na ione i elektrone i mijenjajući strukturu tvari na na koje djeluje.

X-zrake uzrokuju sjaj kemijskog spoja koji se naziva fluorescencija. Zračenje atoma uzorka visokoenergetskim fotonima uzrokuje emisiju elektrona – oni napuštaju atom. U jednoj ili više elektronskih orbitala nastaju "rupe" - prazna mjesta, zbog kojih atomi prelaze u pobuđeno stanje, odnosno postaju nestabilni. Milijuntinke sekunde kasnije, atomi se vraćaju u stabilno stanje, kada se prazna mjesta u unutarnjim orbitalama popune elektronima s vanjskih orbitala.

Ovaj prijelaz je popraćen emisijom energije u obliku sekundarnog fotona, stoga nastaje fluorescencija.

Rentgenska astronomija

Na Zemlji se rijetko susrećemo s rendgenskim zrakama, ali se često nalaze u svemiru. Tamo se prirodno javlja zbog aktivnosti mnogih svemirskih objekata. To je omogućilo rendgensku astronomiju. Energija rendgenskih fotona mnogo je veća od optičkih, stoga u rendgenskom području emitira tvar zagrijanu na ekstremno visoke temperature.

Ovi kozmički izvori rendgenskog zračenja za nas nisu zamjetan dio prirodnog pozadinskog zračenja i stoga ni na koji način ne prijete ljudima. Jedina iznimka može biti takav izvor tvrdog elektromagnetskog zračenja kao što je eksplozija supernove, koja se dogodila dovoljno blizu Sunčevog sustava.

Kako umjetno stvoriti X-zrake?

Rentgenski uređaji još uvijek se široko koriste za nedestruktivnu introskopiju (rentgenske slike u medicini, detekcija nedostataka u tehnologiji). Njihova glavna komponenta je rendgenska cijev, koja se sastoji od katode i anode. Elektrode cijevi spojene su na izvor visokog napona, obično na desetke ili čak stotine tisuća volti. Kad se zagrije, katoda emitira elektrone, koji se ubrzavaju generiranim električnim poljem između katode i anode.

U sudaru s anodom, elektroni se usporavaju i gube većinu svoje energije. U tom se slučaju pojavljuje kočno zračenje rendgenskog područja, ali se pretežni dio energije elektrona pretvara u toplinu, pa se anoda hladi.

Rentgenska cijev konstantnog ili impulsnog djelovanja i dalje je najrašireniji izvor rendgenskog zračenja, ali daleko od toga da je jedini. Za dobivanje impulsa zračenja visokog intenziteta koriste se visokostrujna pražnjenja, u kojima se plazma kanal tekuće struje komprimira vlastitim magnetskim poljem struje - tzv.

Ako se pražnjenje odvija u mediju lakih elemenata, na primjer, u vodikovom mediju, tada ono igra ulogu učinkovitog akceleratora elektrona električnim poljem koje nastaje u samom pražnjenju. Ovo pražnjenje može značajno premašiti polje koje stvara vanjski izvor struje. Na taj se način dobivaju impulsi tvrdog rendgenskog zračenja s visokom energijom generiranih kvanta (stotine kiloelektronvolti), koji imaju veliku prodornu moć.

Za dobivanje X-zraka u širokom spektralnom rasponu koriste se akceleratori elektrona - sinkrotroni. U njima se zračenje stvara unutar prstenaste vakuumske komore, u kojoj se usko usmjerena zraka visokoenergetskih elektrona, ubrzana gotovo do brzine svjetlosti, kreće po kružnoj orbiti. Tijekom rotacije, pod utjecajem magnetskog polja, leteći elektroni emitiraju snopove fotona tangencijalno na orbitu u širokom spektru, čiji maksimum pada na područje X-zraka.

Kako se otkrivaju X-zrake

Dugo se za detekciju i mjerenje rendgenskog zračenja koristio tanak sloj fosfora ili fotografske emulzije nanesene na površinu staklene ploče ili prozirnog polimernog filma. Prvi je svijetlio u optičkom području spektra pod djelovanjem rendgenskog zračenja, dok se optička prozirnost premaza mijenjala u filmu pod djelovanjem kemijske reakcije.

Trenutno se za registriranje rendgenskog zračenja najčešće koriste elektronički detektori - uređaji koji generiraju električni impuls kada se kvant zračenja apsorbira u osjetljivom volumenu detektora. Razlikuju se po principu pretvaranja energije apsorbiranog zračenja u električne signale.

Rentgenski detektori s elektroničkom registracijom mogu se podijeliti na ionizacijske, čije se djelovanje temelji na ionizaciji tvari, i radioluminiscentne, uključujući scintilaciju, koristeći luminiscenciju tvari pod djelovanjem ionizirajućeg zračenja. Ionizacijski detektori se pak dijele na plinom punjene i poluvodičke, ovisno o mediju za detekciju.

Glavne vrste detektora punjenih plinom su ionizacijske komore, Geigerovi brojači (Geiger-Mullerovi brojači) i proporcionalni brojači plinskog pražnjenja. Kvanti zračenja koji ulaze u radnu okolinu brojača uzrokuju ionizaciju plina i protok struje, što se bilježi. U poluvodičkom detektoru pod djelovanjem kvanta zračenja nastaju parovi elektron-rupa, koji također omogućuju protjecanje električne struje kroz tijelo detektora.

Glavna komponenta scintilacijskih brojača u vakuumskom uređaju je fotomultiplikacijska cijev (PMT), koja koristi fotoelektrični efekt za pretvaranje zračenja u tok nabijenih čestica i fenomen sekundarne emisije elektrona kako bi se pojačala struja generiranih nabijenih čestica. Fotomultiplikator ima fotokatodu i sustav sekvencijalnih ubrzavajućih elektroda - dinoda, pri udaru na koje se ubrzani elektroni množe.

Sekundarni množitelj elektrona je otvoreni vakuumski uređaj (radi samo u vakuumskim uvjetima), u kojem se rendgensko zračenje na ulazu pretvara u tok primarnih elektrona, a zatim pojačava zbog sekundarne emisije elektrona dok se šire u kanalu množenja.

Po istom principu rade mikrokanalne ploče, koje su ogroman broj zasebnih mikroskopskih kanala koji prodiru u detektor ploča. Oni dodatno mogu osigurati prostornu razlučivost i formiranje optičke slike presjeka toka koji upada na detektor rendgenskog zračenja bombardiranjem izlaznog toka elektrona poluprozirnog ekrana fosforom nanesenim na njega.

X-zrake u medicini

Sposobnost rendgenskih zraka da svijetle kroz materijalne objekte ne samo da daje ljudima mogućnost stvaranja jednostavnih rendgenskih zraka, već također otvara mogućnosti za naprednije dijagnostičke alate. Na primjer, on je u srcu računalne tomografije (CT).

Izvor rendgenskih zraka i prijemnik rotiraju unutar prstena u kojem leži pacijent. Dobivene podatke o tome kako tkiva tijela apsorbiraju rendgenske zrake računalo se rekonstruira u 3D sliku. CT je posebno važan za dijagnosticiranje moždanog udara, a iako je manje precizan od magnetske rezonancije mozga, traje puno manje vremena.

Relativno novi smjer, koji se sada razvija u mikrobiologiji i medicini, je korištenje mekog rendgenskog zračenja. Kada je živi organizam proziran, to omogućuje dobivanje slike krvnih žila, detaljno proučavanje strukture mekih tkiva, pa čak i mikrobiološka istraživanja na staničnoj razini.

Rentgenski mikroskop koji koristi zračenje iz pražnjenja tipa pinch u plazmi teških elemenata omogućuje vidjeti takve detalje strukture žive stanice,što se ne može vidjeti elektronskim mikroskopom čak ni u posebno pripremljenoj staničnoj strukturi.

Jedna od vrsta terapije zračenjem koja se koristi za liječenje malignih tumora koristi čvrste rendgenske zrake, što postaje moguće zbog njegovog ionizirajućeg učinka, koji uništava tkivo biološkog objekta. U ovom slučaju se kao izvor zračenja koristi akcelerator elektrona.

Radiografija u tehnologiji

Meke rendgenske zrake koriste se u istraživanjima koja imaju za cilj rješavanje problema kontrolirane termonuklearne fuzije. Da biste započeli proces, trebate stvoriti udarni val povratnog udara zračenjem male deuterij i tritijeve mete mekim X-zrakama iz električnog pražnjenja i trenutnim zagrijavanjem ljuske ove mete u stanje plazme.

Ovaj val komprimira ciljni materijal do gustoće tisuće puta veće od gustoće krutine i zagrijava ga do termonuklearne temperature. Oslobađanje energije termonuklearne fuzije događa se u kratkom vremenu, dok se vruća plazma raspršuje po inerciji.

Sposobnost prozirnosti omogućuje radiografiju - tehniku snimanja koja vam omogućuje prikaz unutarnje strukture neprozirnog predmeta izrađenog od metala, na primjer. Nemoguće je okom utvrditi jesu li konstrukcije mosta čvrsto zavarene, je li šav na plinovodu hermetički nepropusni i jesu li tračnice čvrsto prianjale jedna uz drugu.

Stoga se u industriji rendgensko snimanje koristi za detekciju nedostataka - praćenje pouzdanosti glavnih radnih svojstava i parametara objekta ili njegovih pojedinih elemenata, što ne zahtijeva stavljanje objekta iz upotrebe ili demontažu.

Rentgenska fluorescentna spektrometrija temelji se na učinku fluorescencije - analitičkoj metodi koja se koristi za određivanje koncentracija elemenata od berilija do urana u rasponu od 0,0001 do 100% u tvarima različitog podrijetla.

Kada se uzorak ozrači snažnim protokom zračenja iz rendgenske cijevi, pojavljuje se karakteristično fluorescentno zračenje atoma, koje je proporcionalno njihovoj koncentraciji u uzorku. Trenutno praktički svaki elektronski mikroskop omogućuje bez ikakvih poteškoća određivanje detaljnog elementarnog sastava proučavanih mikro-objekata metodom rendgenske fluorescentne analize.

X-zrake u povijesti umjetnosti

Sposobnost rendgenskih zraka da svijetle i stvore efekt fluorescencije također se koristi za proučavanje slika. Ono što se krije ispod gornjeg sloja boje može puno reći o povijesti nastanka platna. Primjerice, u vještom radu s nekoliko slojeva boje može se pronaći jedinstvena slika u umjetničkom djelu. Također je važno uzeti u obzir strukturu slojeva slike pri odabiru najprikladnijih uvjeta skladištenja platna.

Za sve to, rendgensko zračenje je neophodno, što vam omogućuje da pogledate ispod gornjih slojeva slike bez štete po njega.

Važan napredak u ovom smjeru su nove metode specijalizirane za rad s umjetničkim djelima. Makroskopska fluorescencija je varijanta analize rendgenske fluorescencije koja je vrlo prikladna za vizualizaciju strukture distribucije ključnih elemenata, uglavnom metala, prisutnih u područjima od oko 0,5-1 četvorni metar ili više.

S druge strane, rentgenska laminografija, varijanta računalne rendgenske tomografije, koja je prikladnija za proučavanje ravnih površina, čini se obećavajućom za dobivanje slika pojedinih slojeva slike. Ove metode se također mogu koristiti za proučavanje kemijskog sastava sloja boje. To omogućuje datiranje platna, uključujući i identifikaciju krivotvorine.

X-zrake omogućuju vam da saznate strukturu tvari

Rentgenska kristalografija je znanstveni smjer povezan s identifikacijom strukture tvari na atomskoj i molekularnoj razini. Posebnost kristalnih tijela je višestruko poredano ponavljanje u prostornoj strukturi istih elemenata (stanica), koje se sastoje od određenog skupa atoma, molekula ili iona.

Glavna metoda istraživanja sastoji se u izlaganju kristalnog uzorka uskom snopu rendgenskih zraka pomoću rendgenske kamere. Dobivena fotografija prikazuje sliku difrakiranih X-zraka koje prolaze kroz kristal, iz koje znanstvenici onda mogu vizualno prikazati njegovu prostornu strukturu, nazvanu kristalna rešetka. Različiti načini primjene ove metode nazivaju se rendgenskom strukturnom analizom.

Rentgenska strukturna analiza kristalnih tvari sastoji se od dvije faze:

1. Određivanje veličine jedinične ćelije kristala, broja čestica (atoma, molekula) u jediničnoj ćeliji i simetrije rasporeda čestica. Ti se podaci dobivaju analizom geometrije položaja difrakcijskih maksimuma.
2. Proračun elektronske gustoće unutar jedinične ćelije i određivanje atomskih koordinata koje se poistovjećuju s položajem maksimuma gustoće elektrona. Ovi se podaci dobivaju analizom intenziteta difrakcijskih maksimuma.

Neki molekularni biolozi predviđaju da bi se kod snimanja najvećih i najsloženijih molekula kristalografija rendgenskih zraka mogla zamijeniti novom tehnikom koja se zove kriogena elektronska mikroskopija.

Jedan od najnovijih alata u kemijskoj analizi bio je Hendersonov filmski skener, koji je koristio u svom pionirskom radu u kriogenoj elektronskoj mikroskopiji. Međutim, ova je metoda još uvijek prilično skupa i stoga je malo vjerojatno da će u bliskoj budućnosti u potpunosti zamijeniti rendgensku kristalografiju.

Relativno novo područje istraživanja i tehničkih primjena povezanih s korištenjem rendgenskih zraka je rendgenska mikroskopija. Dizajniran je za dobivanje uvećane slike objekta koji se proučava u stvarnom prostoru u dvije ili tri dimenzije pomoću fokusirajuće optike.

Difrakcijska granica prostorne razlučivosti u rendgenskoj mikroskopiji zbog male valne duljine korištenog zračenja je oko 1000 puta bolja od odgovarajuće vrijednosti za optički mikroskop. Osim toga, prodorna moć rendgenskog zračenja omogućuje proučavanje unutarnje strukture uzoraka koji su potpuno neprozirni za vidljivu svjetlost.

I premda elektronska mikroskopija ima prednost u nešto većoj prostornoj rezoluciji, ona nije nedestruktivna metoda istraživanja, jer zahtijeva vakuum i uzorke s metalnim ili metaliziranim površinama, što je, primjerice, potpuno destruktivno za biološke objekte.