Hva vet vi om røntgen?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

På 1800-tallet virket stråling usynlig for det menneskelige øyet, i stand til å passere gjennom kjøtt og andre materialer, som noe helt fantastisk. Nå er røntgenstråler mye brukt til å lage medisinske bilder, utføre strålebehandling, analysere kunstverk og løse atomenergiproblemer.

Hvordan røntgenstråling ble oppdaget og hvordan den hjelper mennesker - finner vi ut av det sammen med fysiker Alexander Nikolaevich Dolgov.

Oppdagelsen av røntgenstråler

Fra slutten av 1800-tallet begynte vitenskapen å spille en fundamentalt ny rolle i utformingen av verdensbildet. For et århundre siden var forskernes aktiviteter av amatør og privat karakter. På slutten av 1700-tallet, som et resultat av den vitenskapelige og teknologiske revolusjonen, ble vitenskapen imidlertid til en systematisk aktivitet der hver oppdagelse ble mulig takket være bidraget fra mange spesialister.

Forskningsinstitutter, periodiske vitenskapelige tidsskrifter begynte å dukke opp, konkurranse og kamp oppsto for anerkjennelse av opphavsrett for vitenskapelige prestasjoner og tekniske innovasjoner. Alle disse prosessene fant sted i det tyske riket, hvor Kaiser på slutten av 1800-tallet oppmuntret til vitenskapelige prestasjoner som økte landets prestisje på verdensscenen.

En av forskerne som jobbet med entusiasme i denne perioden var professoren i fysikk, rektor ved Universitetet i Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. Den 8. november 1895 ble han sent i laboratoriet, som ofte skjedde, og bestemte seg for å gjennomføre en eksperimentell studie av den elektriske utladningen i vakuumrør av glass. Han gjorde rommet mørkere og pakket et av rørene inn i ugjennomsiktig svart papir for å gjøre det lettere å observere de optiske fenomenene som følger med utladningen. Til min overraskelse

Roentgen så et fluorescensbånd på en nærliggende skjerm dekket med bariumcyanoplatinittkrystaller. Det er usannsynlig at en vitenskapsmann da kunne forestille seg at han var på randen av en av de viktigste vitenskapelige oppdagelsene i sin tid. Neste år vil det bli skrevet over tusen publikasjoner om røntgenstråler, leger vil umiddelbart ta oppfinnelsen i bruk, takket være den vil radioaktivitet bli oppdaget i fremtiden og nye vitenskapsretninger vil dukke opp.

Roentgen viet de neste ukene til å undersøke naturen til den uforståelige gløden og fant ut at fluorescens dukket opp hver gang han brukte strøm på røret. Røret var kilden til strålingen, ikke en annen del av den elektriske kretsen. Uten å vite hva han møtte bestemte Roentgen seg for å betegne dette fenomenet som røntgenstråler eller røntgenstråler. Videre oppdaget Roentgen at denne strålingen kan penetrere nesten alle objekter til forskjellige dybder, avhengig av tykkelsen på objektet og tettheten til stoffet.

Dermed viste en liten blyskive mellom utladningsrøret og skjermen seg å være ugjennomtrengelig for røntgenstråler, og håndbeina kastet en mørkere skygge på skjermen, omgitt av en lysere skygge fra bløtvev. Snart fant forskeren ut at røntgenstrålene forårsaker ikke bare gløden på skjermen dekket med bariumcyanoplatinitt, men også mørkningen av fotografiske plater (etter utvikling) på de stedene der røntgenstrålene falt på den fotografiske emulsjonen.

I løpet av sine eksperimenter var Roentgen overbevist om at han hadde oppdaget stråling ukjent for vitenskapen. Den 28. desember 1895 rapporterte han om forskningsresultatene i en artikkel «On a new type of radiation» i tidsskriftet Annals of Physics and Chemistry. Samtidig sendte han forskerne bildene av hånden til sin kone, Anna Bertha Ludwig, som senere ble berømt.

Takket være Roentgens gamle venn, den østerrikske fysikeren Franz Exner, var innbyggerne i Wien de første som så disse bildene 5. januar 1896 på sidene til avisen Die Presse. Allerede dagen etter ble informasjon om åpningen overført til avisen London Chronicle. Så oppdagelsen av Roentgen begynte gradvis å komme inn i folks daglige liv. Praktisk anvendelse ble funnet nesten umiddelbart: 20. januar 1896, i New Hampshire, behandlet leger en mann med brukket arm ved å bruke en ny diagnostisk metode - en røntgen.

Tidlig bruk av røntgenstråler

I løpet av flere år har røntgenbilder begynt å bli aktivt brukt for mer nøyaktige operasjoner. Allerede 14 dager etter åpningen tok Friedrich Otto Valkhoff den første tannrøntgen. Og etter det grunnla de sammen med Fritz Giesel verdens første tannrøntgenlaboratorium.

I 1900, 5 år etter oppdagelsen, ble bruken av røntgenstråler i diagnose ansett som en integrert del av medisinsk praksis.

Statistikken utarbeidet av det eldste sykehuset i Pennsylvania kan betraktes som en indikasjon på spredningen av teknologier basert på røntgenstråling. I følge henne var det i 1900 bare rundt 1-2% av pasientene som fikk hjelp med røntgen, mens det allerede i 1925 var 25%.

Røntgen ble brukt på en svært uvanlig måte på den tiden. For eksempel ble de brukt til å tilby hårfjerningstjenester. I lang tid ble denne metoden ansett som å foretrekke sammenlignet med de mer smertefulle - pinsett eller voks. I tillegg har røntgenstråler blitt brukt i skotilpasningsapparater - prøve-på-fluoroskoper (pedoskoper). Dette var røntgenapparater med et spesielt hakk for føttene, samt vinduer der kunden og selgerne kunne vurdere hvordan skoene satte seg ned.

Den tidlige bruken av røntgenbilder fra et moderne sikkerhetsperspektiv reiser mange spørsmål. Problemet var at på tidspunktet for oppdagelsen av røntgenstråler var det praktisk talt ingenting kjent om stråling og dens konsekvenser, og det er grunnen til at pionerene som brukte den nye oppfinnelsen møtte dens skadelige virkninger etter egen erfaring. De negative konsekvensene av økt eksponering ble et massefenomen på begynnelsen av 1800-tallet. XX århundrer, og folk begynte gradvis å komme til erkjennelsen av farene ved tankeløs bruk av røntgenstråler.

Arten av røntgenstrålene

Røntgenstråling er elektromagnetisk stråling med fotonenergier fra ~100 eV til 250 keV, som ligger på skalaen til elektromagnetiske bølger mellom ultrafiolett stråling og gammastråling. Det er en del av den naturlige strålingen som oppstår i radioisotoper når atomene til grunnstoffene eksiteres av en strøm av elektroner, alfapartikler eller gamma-kvanter, der elektroner blir kastet ut fra atomets elektronskall. Røntgenstråling oppstår når ladede partikler beveger seg med akselerasjon, spesielt når elektroner bremses, i det elektriske feltet til atomer til et stoff.

Myke og harde røntgenstråler skilles, den betingede grensen mellom disse på bølgelengdeskalaen er omtrent 0,2 nm, som tilsvarer en fotonenergi på omtrent 6 keV. Røntgenstråling er både penetrerende, på grunn av sin korte bølgelengde, og ioniserende, siden den når den passerer gjennom et stoff, samhandler med elektroner, slår dem ut av atomer, og bryter dem derved til ioner og elektroner og endrer strukturen til stoffet på som den virker.

Røntgenstråler får en kjemisk forbindelse kalt fluorescens til å gløde. Bestråling av atomene i prøven med høyenergifotoner forårsaker utslipp av elektroner - de forlater atomet. I en eller flere elektronorbitaler dannes "hull" - ledige stillinger, på grunn av hvilke atomene går inn i en eksitert tilstand, det vil si at de blir ustabile. Milliondeler av et sekund senere går atomene tilbake til en stabil tilstand, når de ledige plassene i de indre orbitalene fylles med elektroner fra de ytre orbitalene.

Denne overgangen er ledsaget av emisjon av energi i form av et sekundært foton, og derfor oppstår fluorescens.

Røntgenastronomi

På jorden møter vi sjelden røntgenstråler, men det finnes ganske ofte i verdensrommet. Der oppstår det naturlig på grunn av aktiviteten til mange romobjekter. Dette gjorde røntgenastronomi mulig. Energien til røntgenfotoner er mye høyere enn optiske, derfor avgir den i røntgenområdet et stoff oppvarmet til ekstremt høye temperaturer.

Disse kosmiske kildene til røntgenstråling er ikke en merkbar del av den naturlige bakgrunnsstrålingen for oss og truer derfor ikke mennesker på noen måte. Det eneste unntaket kan være en slik kilde til hard elektromagnetisk stråling som en supernovaeksplosjon, som skjedde nær nok til solsystemet.

Hvordan lage røntgenstråler kunstig?

Røntgenapparater er fortsatt mye brukt til ikke-destruktiv introskopi (røntgenbilder i medisin, feildeteksjon i teknologi). Hovedkomponenten deres er et røntgenrør, som består av en katode og en anode. Rørelektrodene er koblet til en høyspenningskilde, vanligvis titalls eller til og med hundretusenvis av volt. Ved oppvarming avgir katoden elektroner, som akselereres av det genererte elektriske feltet mellom katoden og anoden.

Ved å kollidere med anoden bremses elektronene og mister mesteparten av energien. I dette tilfellet vises bremsstrahlung-stråling fra røntgenområdet, men den dominerende delen av elektronenergien omdannes til varme, slik at anoden avkjøles.

Røntgenrøret med konstant eller pulserende virkning er fortsatt den mest utbredte kilden til røntgenstråling, men det er langt fra den eneste. For å oppnå strålingspulser med høy intensitet brukes høystrømsutladninger, der plasmakanalen til den flytende strømmen komprimeres av sitt eget magnetiske felt av strømmen - den såkalte klypingen.

Hvis utladningen finner sted i et medium av lette elementer, for eksempel i et hydrogenmedium, spiller den rollen som en effektiv akselerator av elektroner av det elektriske feltet som oppstår i selve utladningen. Denne utladningen kan betydelig overskride feltet som genereres av en ekstern strømkilde. På denne måten oppnås pulser av hard røntgenstråling med høy energi av genererte kvanter (hundrevis av kiloelektronvolt), som har høy penetreringskraft.

For å oppnå røntgenstråler i et bredt spektralområde, brukes elektronakseleratorer - synkrotroner. I dem dannes stråling inne i et ringformet vakuumkammer, der en smalt rettet stråle av høyenergielektroner, akselerert nesten til lysets hastighet, beveger seg i en sirkulær bane. Under rotasjon, under påvirkning av et magnetisk felt, sender flygende elektroner ut stråler av fotoner tangentielt til banen i et bredt spekter, hvis maksimum faller på røntgenområdet.

Hvordan røntgenstråler oppdages

I lang tid ble et tynt lag av fosfor eller fotografisk emulsjon påført overflaten av en glassplate eller gjennomsiktig polymerfilm brukt for å oppdage og måle røntgenstråling. Den første lyste i det optiske området av spekteret under påvirkning av røntgenstråling, mens den optiske gjennomsiktigheten til belegget endret seg i filmen under påvirkning av en kjemisk reaksjon.

For tiden brukes elektroniske detektorer oftest for å registrere røntgenstråling - enheter som genererer en elektrisk puls når et kvantum av stråling absorberes i det følsomme volumet til detektoren. De er forskjellige i prinsippet om å konvertere energien til den absorberte strålingen til elektriske signaler.

Røntgendetektorer med elektronisk registrering kan deles inn i ionisering, hvis virkning er basert på ionisering av et stoff, og radioluminescens, inkludert scintillasjon, ved bruk av luminescensen til et stoff under påvirkning av ioniserende stråling. Ioniseringsdetektorer er på sin side delt inn i gassfylte og halvledere, avhengig av deteksjonsmediet.

Hovedtypene av gassfylte detektorer er ioniseringskamre, geigertellere (Geiger-Muller-tellere) og proporsjonale gassutladningstellere. Strålingskvanter som kommer inn i arbeidsmiljøet til telleren forårsaker ionisering av gassen og strømmen, som registreres. I en halvlederdetektor dannes elektron-hullpar under påvirkning av strålingskvanter, som også gjør det mulig for en elektrisk strøm å flyte gjennom detektorlegemet.

Hovedkomponenten i scintillasjonstellere i en vakuumenhet er et fotomultiplikatorrør (PMT), som bruker den fotoelektriske effekten til å konvertere stråling til en strøm av ladede partikler og fenomenet sekundær elektronemisjon for å øke strømmen til de genererte ladede partiklene. Fotomultiplikatoren har en fotokatode og et system av sekvensielle akselererende elektroder - dynoder, ved støt som akselererte elektroner multipliserer.

Sekundær elektronmultiplikator er en åpen vakuumenhet (fungerer bare under vakuumforhold), der røntgenstråling ved inngangen omdannes til en strøm av primære elektroner og deretter forsterkes på grunn av den sekundære emisjonen av elektroner når de forplanter seg i multiplikatorkanalen.

Mikrokanalplater, som er et stort antall separate mikroskopiske kanaler som trenger inn i platedetektoren, fungerer etter samme prinsipp. De kan i tillegg gi romlig oppløsning og dannelse av et optisk bilde av tverrsnittet av fluksen som faller inn på detektoren for røntgenstråling ved å bombardere den utgående elektronstrømmen til en semitransparent skjerm med en fosfor avsatt på den.

Røntgen i medisin

Røntgenstrålenes evne til å skinne gjennom materielle objekter gir ikke bare mennesker muligheten til å lage enkle røntgenbilder, men åpner også for muligheter for mer avanserte diagnostiske verktøy. For eksempel er det kjernen i computertomografi (CT).

Røntgenkilden og mottakeren roterer inne i ringen som pasienten ligger i. De innhentede dataene om hvordan kroppens vev absorberer røntgenstråler rekonstrueres av en datamaskin til et 3D-bilde. CT er spesielt viktig for å diagnostisere hjerneslag, og selv om det er mindre nøyaktig enn magnetisk resonansavbildning av hjernen, tar det mye mindre tid.

En relativt ny retning, som nå utvikles innen mikrobiologi og medisin, er bruken av myk røntgenstråling. Når en levende organisme er gjennomskinnelig, gjør det det mulig å få et bilde av blodkar, å studere i detalj strukturen til bløtvev, og til og med å utføre mikrobiologiske studier på cellenivå.

Et røntgenmikroskop som bruker stråling fra en klype-type utladning i plasma av tunge elementer gjør det mulig å se slike detaljer om strukturen til en levende celle,som ikke kan sees av et elektronmikroskop selv i en spesialpreparert cellestruktur.

En av typene strålebehandling som brukes til å behandle ondartede svulster, bruker harde røntgenstråler, som blir mulig på grunn av dens ioniserende effekt, som ødelegger vevet til et biologisk objekt. I dette tilfellet brukes en elektronakselerator som strålingskilde.

Radiografi i teknologi

Myke røntgenstråler brukes i forskning rettet mot å løse problemet med kontrollert termonukleær fusjon. For å starte prosessen må du lage en rekylsjokkbølge ved å bestråle et lite deuterium- og tritiummål med myke røntgenstråler fra en elektrisk utladning og øyeblikkelig varme opp skallet til dette målet til en plasmatilstand.

Denne bølgen komprimerer målmaterialet til en tetthet som er tusenvis av ganger høyere enn tettheten til et fast stoff, og varmer det opp til en termonukleær temperatur. Frigjøringen av termonukleær fusjonsenergi skjer på kort tid, mens det varme plasmaet spres ved treghet.

Evnen til gjennomskinnelig muliggjør radiografi - en bildeteknikk som lar deg vise den indre strukturen til en ugjennomsiktig gjenstand laget av metall, for eksempel. Det er umulig å avgjøre med øyet om brokonstruksjonene er godt sveiset, om sømmen ved gassrørledningen er lufttett og om skinnene passer tett til hverandre.

Derfor, i industrien, brukes røntgen for feildeteksjon - overvåking av påliteligheten til de viktigste arbeidsegenskapene og parametrene til et objekt eller dets individuelle elementer, noe som ikke krever at objektet tas ut av drift eller demonteres.

Røntgenfluorescensspektrometri er basert på effekten av fluorescens - en analysemetode som brukes til å bestemme konsentrasjoner av grunnstoffer fra beryllium til uran i området fra 0,0001 til 100 % i stoffer av ulik opprinnelse.

Når en prøve bestråles med en kraftig strøm av stråling fra et røntgenrør, vises karakteristisk fluorescerende stråling av atomer, som er proporsjonal med deres konsentrasjon i prøven. For tiden gjør praktisk talt hvert elektronmikroskop det mulig å bestemme, uten problemer, den detaljerte elementære sammensetningen av de studerte mikroobjektene ved hjelp av metoden for røntgenfluorescensanalyse.

Røntgen i kunsthistorien

Røntgenstrålenes evne til å skinne gjennom og skape en fluorescenseffekt brukes også til å studere malerier. Det som skjuler seg under topplaget med maling kan fortelle mye om historien til lerretets tilblivelse. For eksempel er det i det dyktige arbeidet med flere lag maling at et bilde kan oppleves som unikt i en kunstners verk. Det er også viktig å ta hensyn til strukturen til lagene i maleriet når du velger de mest passende lagringsforholdene for lerretet.

For alt dette er røntgenstråling uunnværlig, slik at du kan se under de øvre lagene av bildet uten å skade det.

Viktige utviklinger i denne retningen er nye metoder spesialiserte for arbeid med kunstverk. Makroskopisk fluorescens er en variant av røntgenfluorescensanalyse som er godt egnet for å visualisere distribusjonsstrukturen til nøkkelelementer, hovedsakelig metaller, tilstede i områder på ca. 0,5-1 kvadratmeter eller mer.

På den annen side virker røntgenlaminografi, en variant av computerrøntgentomografi, som er mer egnet for å studere flate overflater, lovende for å få bilder av individuelle lag av et bilde. Disse metodene kan også brukes til å studere malinglagets kjemiske sammensetning. Dette gjør at lerretet kan dateres, inkludert for å identifisere en forfalskning.

Røntgenstråler lar deg finne ut strukturen til et stoff

Røntgenkrystallografi er en vitenskapelig retning assosiert med identifisering av strukturen til materie på atom- og molekylnivå. Et særtrekk ved krystallinske legemer er en flerordnet repetisjon i den romlige strukturen til de samme elementene (cellene), bestående av et visst sett med atomer, molekyler eller ioner.

Hovedforskningsmetoden består i å eksponere en krystallinsk prøve for en smal stråle av røntgenstråler ved hjelp av et røntgenkamera. Det resulterende fotografiet viser et bilde av diffrakterte røntgenstråler som passerer gjennom krystallen, hvorfra forskere visuelt kan vise dens romlige struktur, kalt krystallgitteret. Ulike måter å implementere denne metoden på kalles røntgenstrukturanalyse.

Røntgenstrukturanalyse av krystallinske stoffer består av to stadier:

1. Bestemmelse av størrelsen på enhetscellen til krystallen, antall partikler (atomer, molekyler) i enhetscellen og symmetrien til arrangementet av partikler. Disse dataene oppnås ved å analysere geometrien til plasseringen av diffraksjonsmaksima.
2. Beregning av elektrontettheten inne i enhetscellen og bestemmelse av atomkoordinatene, som identifiseres med posisjonen til elektrontetthetsmaksima. Disse dataene oppnås ved å analysere intensiteten til diffraksjonsmaksima.

Noen molekylærbiologer spår at ved avbildning av de største og mest komplekse molekylene, kan røntgenkrystallografi bli erstattet av en ny teknikk kalt kryogen elektronmikroskopi.

Et av de nyeste verktøyene innen kjemisk analyse var Hendersons filmskanner, som han brukte i sitt banebrytende arbeid innen kryogen elektronmikroskopi. Imidlertid er denne metoden fortsatt ganske dyr og vil derfor neppe erstatte røntgenkrystallografi fullstendig i nær fremtid.

Et relativt nytt forskningsområde og tekniske anvendelser knyttet til bruk av røntgenstråler er røntgenmikroskopi. Den er designet for å få et forstørret bilde av objektet som studeres i virkelig rom i to eller tre dimensjoner ved hjelp av fokuseringsoptikk.

Diffraksjonsgrensen for romlig oppløsning i røntgenmikroskopi på grunn av den lille bølgelengden til strålingen som brukes er omtrent 1000 ganger bedre enn den tilsvarende verdien for et optisk mikroskop. I tillegg gjør den gjennomtrengende kraften til røntgenstråling det mulig å studere den indre strukturen til prøver som er fullstendig ugjennomsiktig for synlig lys.

Og selv om elektronmikroskopi har fordelen av en litt høyere romlig oppløsning, er det ikke en ikke-destruktiv undersøkelsesmetode, siden den krever et vakuum og prøver med metalliske eller metalliserte overflater, som er fullstendig ødeleggende, for eksempel for biologiske objekter.