Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
red0;ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ
И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
(ГБОУ ВПО КГМУ МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ)
кафедра физики, информатики и математики
самостоятельная РАбота № 3
По физике
Рентгеновское излучение. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом, физические основы применения в медицине
Выполнил: студент 1 курса
лечебного факультета
группа № 20
Середин.П.А
Проверил: к.п.н.
Рышкова Анна Викторовна
Курск 2013
Оглавление
Введение
Рентгеновское излучение оказывают существенное воздействие на организм человека, при этом находит свое применение, как в лечебных, так и диагностических целя. В этой связи будущий медик должен представлять природу, свойства, характер действия рентгеновского излучения на биологические ткани.
Цель самостоятельной работы
Характеристическое рентгеновское излучение
Рентге́новское излуче́ние —электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 103 Å (от 10−12 до 10−7 м).
Характеристическое рентгеновское излучение имеет не сплошной, а линейчатый спектр. Этот тип излучения возникает, когда быстрый электрон, достигая анода, проникает во внутренние орбитали атомов и выбивает один из их электронов. В результате появляется свободное место, которое может быть заполнено другим электроном, спускающимся с одной из верхних атомных орбиталей. Такой переход электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень вызывает рентгеновское излучение определенной дискретной длины волны. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр. Частота линий характеристического излучения полностью зависит от структуры электронных орбиталей атомов анода.
Линии спектра характеристического излучения разных химических элементов имеют одинаковый вид, поскольку структура их внутренних электронных орбитальных идентична. Но длина их волны и частота, благодаря энергетическим различиям между внутренними орбиталями тяжелых и легких атомов.
Когда энергия бомбардирующих анод электронов становится достаточной для вырывания электронов из внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения. Частоты этих линий зависят от природы вещества анода, поэтому их и назвали характеристическими.
Состояние атома с вакансией во внутренней оболочке неустойчиво. Электрон одной из внешних оболочек может заполнить эту вакансию, и атом при этом испускает избыток энергии в виде фотона характеристического излучения:
Все переходы на k-оболочку образуют K-серию, соответственно, на l- и m-оболочки –L- и M-серии (рис. 1).
Рис. 1
Английский физик Генри Мозли в 1913 году установил закон, названный его именем, связывающий частоты линий рентгеновского спектра с атомным номером испускающего их элемента Z:
, где k = 3, 4, 5…; n=k+1,k+2,k+3… .
Здесь, постоянная Ридберга; σ –постоянная, учитывающая экранирующую роль окружающих ядро электронов. Чем дальше электрон от ядра, тем σ больше.
На рис. 2 показана графическая зависимость закона.
Рис. 2
Закон Мозли позволил по измерению длин волн λ рентгеновских лучей точно установить атомный номер элемента. Он сыграл большую роль при размещение элементов в таблице Менделеева.
Тормозное рентгеновское излучение
Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия торможения отдельных электронов не одинаковы. В результате в энергию рентгеновского излучения переходят различные части их кинетической энергии.
Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром.
Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения можно получить.
Для объяснения свойств теплового излучения пришлось ввести представление об испускании электромагнитного излучения порциями (квантами). Квантовая природа излучения подтверждается также существованием коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра.
Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке твердых мишеней быстрыми электронами (рис. 3) Здесь анод выполнен из W, Mo, Cu, Pt –тяжелых тугоплавких или с высоким коэффициентом теплопроводности металлов.
Рис. 3
Только 1–% энергии электронов идет на излучение, остальная часть выделяется на аноде в виде тепла, поэтому аноды охлаждают водой.
Попав в вещество анода, электроны испытывают сильное торможение и становятся источником электромагнитных волн (рентгеновских лучей).
Начальная скорость электрона при попадании на анод определяется по формуле:
где U –ускоряющее напряжение.
>Заметное излучение наблюдается лишь при резком торможении быстрых электронов, начиная с U ~ 50 кВ, при этом (с –скорость света). В индукционных ускорителях электронов –бетатронах, электроны приобретают энергию до 50 МэВ, = 0,99995 с. Направив такие электроны на твердую мишень, получим рентгеновское излучение с малой длиной волны. Это излучение обладает большой проникающей способностью.
Согласно классической электродинамике при торможении электрона должны возникать излучения всех длин волн от нуля до бесконечности. Длина волны, на которую приходится максимум мощности излучения, должна уменьшиться по мере увеличения скорости электронов, что в основном подтверждается на опыте (рис. 4).
Рис. 4
Однако есть принципиальное отличие от классической теории: нулевые распределения мощности не идут к началу координат, а обрываются при конечных значениях –это и есть коротковолновая граница рентгеновского спектра.
Экспериментально установлено, что
Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Действительно, если излучение возникает за счёт энергии, теряемой электроном при торможении, то энергия кванта не может превысить энергию электрона eU, т.е. , отсюда или .
В данном эксперименте можно определить постоянную Планка h. Из всех методов определения постоянной Планка метод, основанный на измерении коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра, является самым точным.
Рентгеновские трубки и аппараты
Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: где Z —атомный номер элемента анода, A и B —константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, —из молибдена или меди.
Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакуумированными» трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.
В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.
В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 5), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.
Рис. 5.
РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА КУЛИДЖА. При бомбардировке электронами вольфрамовой антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 –электронный пучок; 2 –катод с фокусирующим электродом; 3 –стеклянная оболочка (трубка); 4 –вольфрамовая мишень (антикатод); 5 –нить накала катода; 6 –реально облучаемая площадь; 7 –эффективное фокальное пятно; 8 –медный анод; 9 –окно; 10 –рассеянное рентгеновское излучение.
Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку бульшая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74.
Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований.
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности выяснилось, что их хорошо отражает алмаз.
Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = I0e-kd, где d —толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z³λ³, Z —атомный номер элемента, λ —длина волны).
Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:
Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флуоресценции.
Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах —т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.
В дополнение к названным процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения —за счёт возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 МэВ, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения (<250 кэВ). Однако при другом подходе, когда "ренгеновским" называется излучение, возникшее при взаимодействии электрона и ядра или только электронов, такой процесс имеет место. Кроме того, очень жесткое рентгеновское излучение с энергией кванта более 1 МэВ, способно вызвать Ядерный фотоэффект.
Использование рентгеновского излучения в медицине (рентгеноскопия, рентгенография, рентгенотерапия).
Развитие техники рентгеновских исследований позволило значительно сократить время экспозиции и улучшить качество изображений, позволяющих изучать даже мягкие ткани.
Рентгеноскопия. Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение. Между экраном и глазами врача должно быть установлено свинцовое окно для того, чтобы защитить врача от вредного действия рентгеновских лучей. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту. Недостатки этого метода –недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры.
Флюорография. Этот метод диагностики заключается в фотографировании теневого изображения с просвечивающего экрана. Пациент находится между источником рентгеновского излучения и плоским экраном из люминофора (обычно иодида цезия), который под действием рентгеновского излучения светится. Биологические ткани той или иной степени плотности создают тени рентгеновского излучения, имеющие разную степень интенсивности. Врач-рентгенолог исследует теневое изображение на люминесцентном экране и ставит диагноз.
В прошлом рентгенолог, анализируя изображение, полагался на зрение. Сейчас имеются разнообразные системы, усиливающие изображение, выводящие его на телевизионный экран или записывающие данные в памяти компьютера.
Рентгенография. Запись рентгеновского изображения непосредственно на фотопленке называется рентгенографией. В этом случае исследуемый орган располагается между источником рентгеновского излучения и фотопленкой, которая фиксирует информацию о состоянии органа в данный момент времени. Повторная рентгенография дает возможность судить о его дальнейшей эволюции.
Рентгенография позволяет весьма точно исследовать целостность костных тканей, которые состоят в основном из кальция и непрозрачны для рентгеновского излучения, а также разрывы мышечных тканей. С ее помощью лучше, чем стетоскопом или прослушиванием, анализируется состояние легких при воспалении, туберкулезе или наличии жидкости. При помощи рентгенографии определяются размер и форма сердца, а также динамика его изменений у пациентов, страдающих сердечными заболеваниями.
Контрастные вещества. Прозрачные для рентгеновского излучения части тела и полости отдельных органов становятся видимыми, если их заполнить контрастным веществом, безвредным для организма, но позволяющим визуализировать форму внутренних органов и проверить их функционирование. Контрастные вещества пациент либо принимает внутрь (как, например, бариевые соли при исследовании желудочно-кишечного тракта), либо они вводятся внутривенно (как, например, иодсодержащие растворы при исследовании почек и мочевыводящих путей). В последние годы, однако, эти методы вытесняются методами диагностики, основанными на применении радиоактивных атомов и ультразвука.
Компьютерная томография. В 1970-х годах был развит новый метод рентгеновской диагностики, основанный на полной съемке тела или его частей. Изображения тонких слоев («срезов») обрабатываются компьютером, и окончательное изображение выводится на экран монитора. Такой метод называется компьютерной рентгеновской томографией. Он широко применяется в современной медицине для диагностики инфильтратов, опухолей и других нарушений мозга, а также для диагностики заболеваний мягких тканей внутри тела. Эта методика не требует введения инородных контрастных веществ и потому является быстрой и более эффективной, чем традиционные методики.
Рентгенотерапия —раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20—кв и кожно-фокусном расстоянии 3—см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180—кв и кожно-фокусном расстоянии 30—см (дистанционная рентгенотерапия). Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).
Защита от рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.
иды и степень опасности рентгеновского облучения для людей зависят от контингента лиц, подверженных облучению.
Профессионалы, работающие с рентгеновской аппаратурой. Эта категория охватывает врачей-рентгенологов, стоматологов, а также научно-технических работников и персонал, обслуживающий и использующий рентгеновскую аппаратуру. Принимаются эффективные меры по снижению уровня радиации, с которым им приходится иметь дело.
Пациенты. Строгих критериев здесь не существует, и безопасный уровень облучения, который получают пациенты во время лечения, определяется лечащими врачами. Врачам не рекомендуется без необходимости подвергать пациентов рентгеновскому обследованию. Особую осторожность следует проявлять при обследовании беременных женщин и детей. В этом случае принимаются специальные меры.
Методы контроля. Здесь имеются в виду три аспекта:
1) наличие адекватного оборудования,
2) контроль за соблюдением правил техники безопасности,
3) правильное использование оборудования.
При рентгеновском обследовании воздействию облучения должен подвергаться только нужный участок, будь то стоматологические обследования или обследование легких. Заметим, что сразу после выключения рентгеновского аппарата исчезает как первичное, так и вторичное излучение; отсутствует также и какое-либо остаточное излучение, о чем не всегда знают даже те, кто по своей работе с ним непосредственно связан.
Все работники радиологических отделений и кабинетов, лица, находящихся в смежных помещениях, а также пациенты подвергающиеся исследованию или лечению, должны быть надежно защищены от вредного действия излучений. Защитой называется совокупность устройств и мероприятий, предназначенных для снижения физической дозы излучения, воздействующей на человека, ниже предельно допустимой дозы.
Исходными факторами при построении защиты является установленная медицинской практикой предельно допустимая доза или условно безвредная доза. Защита от вредного действия рентгеновского излучения сводится к ослаблению интенсивности излучения трубки до указанного значения путем увеличения расстояния от фокуса трубки, а также помещением между трубкой и защищаемым объектом поглощающих экранов (стенок). Для уменьшения рассеянного излучения защиту размещают возможно ближе к рентгеновской трубке.
Однако, так как вторичное рассеянное излучение всегда неизбежно возникает при попадании первичного излучения на облучаемый (исследуемый) объект и на окружающие предметы, то кроме защиты от первичных лучей необходима защита и от вторичного рассеянного излучения.
Кроме свинца в качестве защитных материалов используется свинцовое стекло, просвинцованная резина, железо (сталь) и строительные материалы: кирпич, бетон, баритобетон, а иногда и вода.
Защитные свойства этих материалов принято характеризовать «свинцовым эквивалентом А», под которым понимается «выраженная в миллиметрах толщина свинца, ослабляющая мощность физической дозы в воздухе в той же мере, как и данный образец защитного устройства.Часто защитные материалы характеризуются обратной величиной «линейным эквивалентом миллиметра свинца», который означает выраженную в миллиметрах толщину защитного слоя, действие которого эквивалентно слою свинца толщиною в 1 мм (на это число следует умножить толщину необходимого свинцового слоя, чтобы получить толщину защитного слоя из данного материала).
Основными устройствами защиты от вредною для здоровья рентгеновского излучения являются стационарные и нестационарные. Стационарные —стены, перекрытия, защитные двери, смотровые окна, стенки для местной защиты обеспечивают защиту от прямого и рассеянного излучения. Исходя из мощности рентгеновских установок и активности радиоактивных веществ, рассчитывают толщину всех защитных устройств. В частности, для изготовления стен применяют кирпич, бетон, бари го-бетон, баритовую штукатурку. Барит содержит барий и поэтому в значительной степени поглощает ионизирующее излучение. Двери в радиологические кабинеты обивают листовым свинцом или делают из металла. В смотровые окна вставляю! просвинцован-ное стекло значительной толщины.
Нестационарными устройствами называют перемещаемые приспособления, предназначенные для защиты персонала и больных, находящихся в тех же помещениях, где расположены источники излучений.
К числу нестационарных устройств принадлежат различные ширмы. Они изготавливаются из материала, поглощающего излучение, и устанавливаются в радиологических кабинетах таким образом, чтобы предохранить работников и больных от действия излучения.
Вывод
Таким образом, рентгеновские лучи представляют собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны 105 –2 нм. Рентгеновские лучи могут проникать через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Испускаются они при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчастый спектр). Источниками рентгеновского излучения являются: рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение). Приемники –фотопленка, люминисцентные экраны, детекторы ядерных излучений. Рентгеновские лучи применяют в рентгеноструктурном анализе, медицине, дефектоскопии, рентгеновском спектральном анализе и т. п.
Список используемой литературы
Книга, имеющая не более трех авторов:
Интернет-ресурс: