EntrataLa radiazione a raggi X è breve. Proprietà fondamentali della radiazione a raggi X
Vengono emessi con la partecipazione di elettroni, a differenza della radiazione gamma, che è nucleare. Artificialmente, i raggi X vengono creati accelerando fortemente le particelle cariche e facendo passare gli elettroni da un livello energetico all'altro, rilasciando grande quantità energia. I dispositivi che possono essere utilizzati sono tubi a raggi X e acceleratori di particelle cariche. Le sue fonti naturali sono atomi radioattivamente instabili e oggetti spaziali.
Storia della scoperta
Fu realizzato nel novembre 1895 da Roentgen, uno scienziato tedesco che scoprì l'effetto di fluorescenza del cianuro di bario e platino durante il funzionamento di un tubo a raggi catodici. Descrisse in dettaglio le caratteristiche di questi raggi, inclusa la loro capacità di penetrare nei tessuti viventi. Gli scienziati li chiamavano raggi X; il nome “raggi X” prese piede in Russia più tardi.
Da cosa è caratterizzato questo tipo di radiazione?
È logico che le caratteristiche di questa radiazione siano determinate dalla sua natura. Un'onda elettromagnetica è ciò che sono i raggi X. Le sue proprietà sono le seguenti:
Radiazione a raggi X: danno
Naturalmente, al momento dell'apertura e per molti anni dopodiché nessuno si rese conto di quanto fosse pericoloso.
Dove vengono utilizzati i raggi X?
- Medicinale. La diagnostica a raggi X è l '"esame" degli organismi viventi. La terapia a raggi X colpisce le cellule tumorali.
- Scienza. La cristallografia, la chimica e la biochimica li usano per rivelare la struttura della materia.
- Industria. Rilevazione di difetti nelle parti metalliche.
- Sicurezza. Le apparecchiature a raggi X vengono utilizzate per rilevare oggetti pericolosi nei bagagli negli aeroporti e in altri luoghi.
Sebbene gli scienziati abbiano scoperto l'effetto dei raggi X solo a partire dal 1890, l'applicazione radiazione a raggi X in medicina perché questa forza naturale è passata rapidamente. Oggi, a beneficio dell’umanità, la radiazione elettromagnetica a raggi X viene utilizzata in medicina, nel mondo accademico e nell’industria, nonché per generare elettricità.
Inoltre, le radiazioni hanno applicazioni utili in aree come agricoltura, archeologia, spazio, lavoro delle forze dell'ordine, geologia (compresa l'estrazione mineraria) e molte altre attività, persino le automobili vengono sviluppate sfruttando il fenomeno della fissione nucleare.
Usi medici dei raggi X
IN istituzioni mediche Medici e dentisti utilizzano una varietà di materiali e procedure nucleari per diagnosticare, monitorare e trattare un'ampia gamma di processi metabolici e malattie nel corpo umano. Di conseguenza, le procedure mediche che utilizzano i raggi hanno salvato migliaia di vite identificando e curando malattie che vanno dall’iperfunzione ghiandola tiroidea al cancro alle ossa.
La più comune di queste procedure mediche prevede l'uso di raggi che possono attraversare la nostra pelle. Quando viene scattata un'immagine, le nostre ossa e altre strutture sembrano proiettare ombre perché sono più dense della nostra pelle e queste ombre possono essere rilevate sulla pellicola o sullo schermo di un monitor. L'effetto è simile a quello ottenuto mettendo una matita tra un pezzo di carta e una luce. L'ombra della matita sarà visibile sul pezzo di carta. La differenza è che i raggi sono invisibili, quindi è necessario un elemento di registrazione, qualcosa come una pellicola fotografica. Ciò consente a medici e dentisti di valutare l'uso dei raggi X quando si riscontrano ossa rotte o problemi dentali.
L'uso delle radiazioni a raggi X per scopi medicinali
Applicazione mirata dei raggi X scopi medicinali non solo per il rilevamento dei danni. Se utilizzato specificamente, ha lo scopo di uccidere il tessuto canceroso, ridurre le dimensioni del tumore o ridurre il dolore. Ad esempio, lo iodio radioattivo (in particolare lo iodio-131) è spesso usato per trattare il cancro alla tiroide, una condizione che colpisce molte persone.
I dispositivi che utilizzano questa proprietà si collegano anche ai computer ed effettuano scansioni, chiamate: tomografia assiale computerizzata o tomografia computerizzata.
Questi strumenti forniscono ai medici immagini a colori che mostrano il contorno e i dettagli degli organi interni. Aiuta i medici a rilevare e identificare tumori, anomalie dimensionali o altri problemi fisiologici o funzionali agli organi.
Inoltre, gli ospedali e i centri di radiologia eseguono milioni di procedure ogni anno. In tali procedure, i medici rilasciano sostanze leggermente radioattive nel corpo dei pazienti per vederne alcune organi interni, come il pancreas, i reni, la tiroide, il fegato o il cervello, per diagnosticare condizioni cliniche.
I raggi X sono un tipo di radiazione elettromagnetica ad alta energia. È attivamente utilizzato in vari rami della medicina.
I raggi X sono onde elettromagnetiche la cui energia fotonica sulla scala delle onde elettromagnetiche è compresa tra la radiazione ultravioletta e la radiazione gamma (da ~10 eV a ~1 MeV), che corrisponde a lunghezze d'onda da ~10^3 a ~10^−2 angstrom (da da ~10^−7 a ~10^−12 m). Si tratta cioè di una radiazione incomparabilmente più dura della luce visibile, che si trova su questa scala tra i raggi ultravioletti e quelli infrarossi (“termici”).
Il confine tra i raggi X e la radiazione gamma è distinto in modo condizionale: i loro intervalli si intersecano, i raggi gamma possono avere un'energia di 1 keV. Differiscono nell'origine: i raggi gamma vengono emessi durante i processi che avvengono nei nuclei atomici, mentre i raggi X vengono emessi durante i processi che coinvolgono gli elettroni (sia liberi che quelli situati nei gusci elettronici degli atomi). Allo stesso tempo, è impossibile determinare dal fotone stesso durante quale processo è sorto, cioè la divisione nelle gamme di raggi X e gamma è in gran parte arbitraria.
La gamma dei raggi X è divisa in “raggi X molli” e “raggi X duri”. Il confine tra loro si trova ad una lunghezza d'onda di 2 angstrom e 6 keV di energia.
Il generatore di raggi X è un tubo in cui viene creato il vuoto. Lì si trovano gli elettrodi: un catodo, a cui viene applicata una carica negativa, e un anodo caricato positivamente. La tensione tra loro è di decine o centinaia di kilovolt. La generazione di fotoni a raggi X avviene quando gli elettroni “si staccano” dal catodo e da velocità più alta tagliare la superficie dell'anodo. La radiazione di raggi X risultante è chiamata “bremsstrahlung”; i suoi fotoni hanno lunghezze d'onda diverse.
Allo stesso tempo vengono generati fotoni dello spettro caratteristico. Alcuni elettroni negli atomi della sostanza anodica sono eccitati, cioè si spostano su orbite più alte e poi ritornano al loro stato normale, emettendo fotoni di una certa lunghezza d'onda. In un generatore standard vengono prodotti entrambi i tipi di radiazioni a raggi X.
Storia della scoperta
L'8 novembre 1895 lo scienziato tedesco Wilhelm Conrad Roentgen scoprì che alcune sostanze cominciavano a brillare se esposte ai "raggi catodici", cioè a un flusso di elettroni generato da un tubo a raggi catodici. Ha spiegato questo fenomeno con l'influenza di alcuni raggi X: così viene ora chiamata questa radiazione in molte lingue. Più tardi V.K. Roentgen studiò il fenomeno che scoprì. Il 22 dicembre 1895 tenne una relazione su questo argomento all'Università di Würzburg.
Successivamente si è scoperto che la radiazione a raggi X era stata osservata in precedenza, ma i fenomeni ad essa associati non erano stati forniti di grande importanza. Il tubo a raggi catodici è stato inventato molto tempo fa, ma prima che V.K. Nessuno prestava molta attenzione ai raggi X sull'annerimento delle lastre fotografiche vicine, ecc. fenomeni. Anche il pericolo rappresentato dalle radiazioni penetranti era sconosciuto.
Tipi e loro effetti sul corpo
I “raggi X” sono il tipo più lieve di radiazione penetrante. L’eccessiva esposizione ai raggi X molli ricorda gli effetti delle radiazioni ultraviolette, ma in una forma più grave. Sulla pelle si forma un'ustione, ma il danno è più profondo e guarisce molto più lentamente.
I raggi X duri sono una radiazione ionizzante a tutti gli effetti che può portare a malattie da radiazioni. I quanti dei raggi X possono rompere le molecole proteiche che compongono i tessuti corpo umano, così come le molecole di DNA del genoma. Ma anche se il quanto dei raggi X rompe una molecola d'acqua, non fa alcuna differenza: in questo caso si formano radicali liberi chimicamente attivi H e OH, che a loro volta sono in grado di influenzare le proteine e il DNA. La malattia da radiazioni si manifesta in forma più grave, quanto più sono colpiti gli organi emopoietici.
I raggi X hanno attività mutagena e cancerogena. Ciò significa che aumenta la probabilità di mutazioni spontanee nelle cellule durante l'irradiazione e talvolta le cellule sane possono degenerare in cancerose. Una maggiore probabilità di tumori maligni è una conseguenza standard di qualsiasi esposizione alle radiazioni, compresi i raggi X. La radiografia è il minimo dall'aspetto pericoloso radiazioni penetranti, ma possono comunque essere pericolose.
Radiazione a raggi X: applicazione e come funziona
Le radiazioni a raggi X vengono utilizzate in medicina, così come in altre aree dell'attività umana.
Fluoroscopia e tomografia computerizzata
L'uso più comune dei raggi X è la fluoroscopia. La “radiografia” del corpo umano consente di ottenere un'immagine dettagliata sia delle ossa (sono visibili più chiaramente) sia delle immagini degli organi interni.
La diversa trasparenza dei tessuti corporei ai raggi X è associata alla loro composizione chimica. Le caratteristiche strutturali delle ossa sono che contengono molto calcio e fosforo. Altri tessuti sono costituiti principalmente da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Un atomo di fosforo pesa quasi il doppio di un atomo di ossigeno e un atomo di calcio pesa 2,5 volte (il carbonio, l'azoto e l'idrogeno sono addirittura più leggeri dell'ossigeno). A questo proposito, l'assorbimento dei fotoni dei raggi X nelle ossa è molto più elevato.
Oltre alle “istantanee” bidimensionali, la radiografia permette di creare un’immagine tridimensionale di un organo: questo tipo di radiografia è chiamata tomografia computerizzata. Per questi scopi vengono utilizzati i raggi X molli. La quantità di radiazione ricevuta da una foto è piccola: è approssimativamente uguale alla radiazione ricevuta durante un volo di 2 ore su un aereo ad un'altitudine di 10 km.
Il rilevamento dei difetti a raggi X consente di rilevare piccoli difetti interni nei prodotti. A questo scopo vengono utilizzati raggi X duri, poiché molti materiali (ad esempio il metallo) sono scarsamente “trasparenti” a causa dell’elevata massa atomica la loro sostanza costitutiva.
Diffrazione di raggi X e analisi di fluorescenza di raggi X
I raggi X hanno proprietà che consentono loro di esaminare in dettaglio i singoli atomi. L'analisi della diffrazione dei raggi X viene utilizzata attivamente in chimica (compresa la biochimica) e cristallografia. Il principio del suo funzionamento è la diffusione per diffrazione dei raggi X su atomi di cristalli o molecole complesse. Utilizzando l'analisi di diffrazione dei raggi X, è stata determinata la struttura della molecola di DNA.
L'analisi della fluorescenza a raggi X consente di determinare rapidamente composizione chimica sostanze.
Esistono molte forme di radioterapia, ma tutte prevedono l’uso di radiazioni ionizzanti. La radioterapia si divide in 2 tipologie: corpuscolare e ondulatoria. Corpuscular utilizza flussi di particelle alfa (nuclei di atomi di elio), particelle beta (elettroni), neutroni, protoni e ioni pesanti. Wave utilizza i raggi dello spettro elettromagnetico: raggi X e gamma.
I metodi di radioterapia sono utilizzati principalmente per il trattamento del cancro. Il fatto è che le radiazioni colpiscono principalmente le cellule in divisione attiva, motivo per cui gli organi ematopoietici soffrono così tanto (le loro cellule si dividono costantemente, producendo sempre più nuovi globuli rossi). Inoltre, le cellule tumorali si dividono costantemente e sono più vulnerabili alle radiazioni rispetto ai tessuti sani.
Viene utilizzato un livello di radiazioni che sopprime l’attività delle cellule tumorali pur avendo un effetto moderato sulle cellule sane. Sotto l'influenza delle radiazioni, non si verifica la distruzione delle cellule in quanto tali, ma il danno al loro genoma: le molecole di DNA. Una cellula con un genoma distrutto può esistere per qualche tempo, ma non può più dividersi, cioè la crescita del tumore si ferma.
La terapia a raggi X è la forma più lieve di radioterapia. La radiazione ondulatoria è più morbida della radiazione corpuscolare e i raggi X sono più morbidi della radiazione gamma.
Durante la gravidanza
L'uso di radiazioni ionizzanti durante la gravidanza è pericoloso. I raggi X sono mutageni e possono causare problemi al feto. La radioterapia è incompatibile con la gravidanza: può essere utilizzata solo se è già stato deciso di abortire. Le restrizioni sulla fluoroscopia sono più lievi, ma nei primi mesi è anche severamente vietata.
Se assolutamente necessario, l'esame radiografico viene sostituito dalla risonanza magnetica. Ma nel primo trimestre cercano anche di evitarlo (questo metodo è apparso di recente, e possiamo dire con assoluta certezza che non ci sono conseguenze dannose).
Un chiaro pericolo sorge in caso di esposizione a una dose totale di almeno 1 mSv (nelle vecchie unità - 100 mR). Con una semplice radiografia (ad esempio durante la fluorografia), il paziente riceve circa 50 volte di meno. Per ricevere una tale dose in una sola volta, è necessario sottoporsi a una tomografia computerizzata dettagliata.
Cioè, il semplice fatto di una “radiografia” 1-2 volte accesa fase iniziale la gravidanza non minaccia conseguenze gravi (ma è meglio non rischiare).
Trattamento con esso
I raggi X vengono utilizzati principalmente nella lotta contro i tumori maligni. Questo metodo è buono perché è molto efficace: uccide il tumore. È un male perché i tessuti sani se la passano leggermente meglio e ci sono numerosi effetti collaterali. Gli organi emopoietici sono particolarmente a rischio.
In pratica, vengono utilizzati vari metodi per ridurre l'impatto dei raggi X sui tessuti sani. I raggi sono diretti ad angolo in modo che il tumore si trovi nell'area della loro intersezione (per questo motivo, l'assorbimento principale di energia avviene proprio lì). A volte la procedura viene eseguita in movimento: il corpo del paziente ruota rispetto alla sorgente di radiazioni attorno a un asse che passa attraverso il tumore. In questo caso, i tessuti sani si trovano nella zona di irradiazione solo occasionalmente, mentre i tessuti malati sono costantemente esposti.
I raggi X vengono utilizzati nel trattamento di alcune artrosi e malattie simili, nonché di malattie della pelle. In questo caso, la sindrome del dolore si riduce del 50-90%. Poiché la radiazione utilizzata è più debole, effetti collaterali, simili a quelli che si verificano durante il trattamento dei tumori, non si osservano.
LEZIONE
RAGGI X
Natura dei raggi X
Radiazione a raggi X di Bremsstrahlung, sue proprietà spettrali.
Radiazione caratteristica dei raggi X (per riferimento).
Interazione della radiazione X con la materia.
Basi fisiche dell'uso dei raggi X in medicina.
I raggi X (raggi X) furono scoperti da K. Roentgen, che nel 1895 divenne il primo premio Nobel per la fisica.
Natura dei raggi X
Radiazione a raggi X – onde elettromagnetiche con lunghezza compresa tra 80 e 10–5 nm. La radiazione a raggi X a onde lunghe è sovrapposta alla radiazione UV a onde corte, mentre la radiazione a raggi X a onde corte è sovrapposta alla radiazione a onda lunga.
I raggi X vengono prodotti nei tubi a raggi X. Fig.1.
K – catodo
1 – fascio di elettroni
2 – Radiazione a raggi X
Riso. 1. Dispositivo tubo a raggi X.
Il tubo è un pallone di vetro (possibilmente ad alto vuoto: la pressione al suo interno è di circa 10–6 mmHg) con due elettrodi: anodo A e catodo K, a cui viene applicata un'alta tensione U (diverse migliaia di volt). Il catodo è una sorgente di elettroni (a causa del fenomeno dell'emissione termoionica). L'anodo è un'asta metallica che ha una superficie inclinata per dirigere la radiazione dei raggi X risultante in un angolo rispetto all'asse del tubo. È costituito da un materiale altamente conduttivo termicamente per dissipare il calore generato dal bombardamento di elettroni. All'estremità smussata è presente una piastra di metallo refrattario (ad esempio tungsteno).
Il forte riscaldamento dell'anodo è dovuto al fatto che la maggior parte degli elettroni nel fascio catodico, quando raggiungono l'anodo, subiscono numerose collisioni con gli atomi della sostanza e trasferiscono loro una grande energia.
Sotto l'influenza dell'alta tensione, gli elettroni emessi dal filamento del catodo caldo vengono accelerati ad alte energie. L'energia cinetica dell'elettrone è mv 2 /2. È uguale all'energia che acquista muovendosi nel campo elettrostatico del tubo:
mv 2 /2 = eU (1)
dove m, e sono la massa e la carica dell'elettrone, U è la tensione di accelerazione.
I processi che portano alla comparsa della radiazione a raggi X di bremsstrahlung sono causati dall'intensa decelerazione degli elettroni nella sostanza anodica da parte del campo elettrostatico del nucleo atomico e degli elettroni atomici.
Il meccanismo di insorgenza può essere presentato come segue. Gli elettroni in movimento sono una certa corrente che forma il proprio campo magnetico. Il rallentamento degli elettroni è una diminuzione dell'intensità della corrente e, di conseguenza, un cambiamento nell'induzione del campo magnetico, che causerà la comparsa di un campo elettrico alternato, ad es. comparsa di un'onda elettromagnetica.
Pertanto, quando una particella carica vola nella materia, decelera, perde energia e velocità ed emette onde elettromagnetiche.
Proprietà spettrali della bremsstrahlung dei raggi X .
Quindi, nel caso della decelerazione degli elettroni nella sostanza anodica, Radiazione a raggi X di Bremsstrahlung.
Lo spettro dei raggi X di bremsstrahlung è continuo. La ragione di ciò è la seguente.
Quando gli elettroni vengono decelerati, parte dell'energia va a riscaldare l'anodo (E 1 = Q), l'altra parte a creare un fotone nei raggi X (E 2 = hv), altrimenti eU = hv + Q. Il rapporto tra questi le parti sono casuali.
Pertanto, a causa della decelerazione di molti elettroni, si forma uno spettro continuo di raggi X bremsstrahlung, ciascuno dei quali emette un quanto di raggi X hv (h) di un valore rigorosamente definito. La grandezza di questo quanto diverso per elettroni diversi. Dipendenza del flusso di energia dei raggi X dalla lunghezza d'onda , cioè Lo spettro dei raggi X è mostrato in Fig. 2.
Fig.2. Spettro dei raggi X di Bremsstrahlung: a) a diverse tensioni U nel tubo; b) a diverse temperature T del catodo.
Le radiazioni a onde corte (dure) hanno un potere di penetrazione maggiore rispetto alle radiazioni a onde lunghe (morbide). La radiazione morbida viene assorbita più fortemente dalla materia.
Sul lato delle lunghezze d'onda corte, lo spettro termina bruscamente ad una certa lunghezza d'onda m i n. Tale bremsstrahlung a onde corte si verifica quando l'energia acquisita da un elettrone nel campo accelerato viene completamente convertita in energia fotonica (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (nm) = 1,23/UkV
La composizione spettrale della radiazione dipende dalla tensione sul tubo a raggi X; all'aumentare della tensione il valore m i n si sposta verso le lunghezze d'onda corte (Fig. 2a).
Al variare della temperatura T del catodo aumenta l’emissione di elettroni. Di conseguenza, la corrente I nel tubo aumenta, ma la composizione spettrale della radiazione non cambia (Fig. 2b).
Il flusso di energia Ф bremsstrahlung è direttamente proporzionale al quadrato della tensione U tra l'anodo e il catodo, all'intensità della corrente I nel tubo e al numero atomico Z della sostanza anodica:
Ф = kZU 2 I. (3)
dove k = 10 –9 W/(V 2 A).
Radiazione a raggi X caratteristica (per riferimento).
Un aumento della tensione sul tubo a raggi X porta alla comparsa di uno spettro a linee sullo sfondo di uno spettro continuo, che corrisponde alla caratteristica radiazione a raggi X. Questa radiazione è specifica del materiale dell'anodo.
Il meccanismo del suo verificarsi è il seguente. Ad alta tensione, gli elettroni accelerati (ad alta energia) penetrano in profondità nell'atomo ed eliminano gli elettroni dai suoi strati interni. SU posti liberi gli elettroni si spostano dai livelli superiori, a seguito dei quali vengono emessi fotoni di radiazione caratteristica.
Gli spettri della radiazione X caratteristica differiscono dagli spettri ottici.
- Uniformità.
L'uniformità degli spettri caratteristici è dovuta al fatto che gli strati elettronici interni di atomi diversi sono identici e differiscono solo energeticamente per la forza esercitata dai nuclei, che aumenta all'aumentare del numero atomico dell'elemento. Pertanto, gli spettri caratteristici si spostano verso frequenze più alte con l’aumento della carica nucleare. Ciò è stato confermato sperimentalmente da un dipendente della Roentgen - Moseley, che ha misurato le frequenze delle transizioni dei raggi X per 33 elementi. Hanno stabilito la legge.
LEGGE DI MOSLEY – La radice quadrata della frequenza di radiazione caratteristica è una funzione lineare del numero di serie dell’elemento:
= A (Z – B), (4)
dove v è la frequenza della riga spettrale, Z è il numero atomico dell'elemento emittente. A, B sono costanti.
L'importanza della legge di Moseley sta nel fatto che da questa dipendenza è possibile determinare con precisione il numero atomico dell'elemento studiato in base alla frequenza misurata della linea dei raggi X. Ciò ha giocato un ruolo importante nel posizionamento degli elementi nella tavola periodica.
Indipendenza dal composto chimico.
Gli spettri X caratteristici di un atomo non dipendono dal composto chimico in cui è incluso l'elemento atomo. Ad esempio, lo spettro dei raggi X dell'atomo di ossigeno è lo stesso per O 2, H 2 O, mentre gli spettri ottici di questi composti sono diversi. Questa caratteristica dello spettro dei raggi X dell'atomo è servita come base per il nome " radiazione caratteristica".
Interazione dei raggi X con la materia
L'impatto della radiazione a raggi X sugli oggetti è determinato dai processi primari di interazione dei raggi X fotone con elettroni atomi e molecole della materia.
Radiazione a raggi X nella materia assorbito O si dissipa. In questo caso, possono verificarsi vari processi, che sono determinati dal rapporto tra l'energia del fotone dei raggi X hv e l'energia di ionizzazione A e (energia di ionizzazione A ed è l'energia richiesta per rimuovere gli elettroni interni all'esterno dell'atomo o della molecola) .
UN) Diffusione coerente(diffusione della radiazione ad onda lunga) avviene quando la relazione è soddisfatta
Per i fotoni, a causa dell'interazione con gli elettroni, cambia solo la direzione del movimento (fig. 3a), ma non cambiano l'energia hv e la lunghezza d'onda (quindi questa diffusione è chiamata coerente). Poiché l'energia del fotone e dell'atomo non cambia, la diffusione coerente non influisce sugli oggetti biologici, ma quando si crea protezione contro le radiazioni dei raggi X, è necessario tenere conto della possibilità di modificare la direzione primaria del raggio.
B) Effetto foto succede quando
In questo caso si possono realizzare due casi.
Il fotone viene assorbito, l'elettrone si separa dall'atomo (Fig. 3b). Avviene la ionizzazione. L'elettrone staccato acquista energia cinetica: E к = hv – A и. Se l'energia cinetica è elevata, l'elettrone può ionizzare gli atomi vicini mediante collisione, formandone di nuovi
secondario elettroni. Il fotone viene assorbito, ma la sua energia non è sufficiente per rimuovere un elettrone, e
eccitazione di un atomo o di una molecola (Fig. 3c). Ciò porta spesso alla successiva emissione di un fotone nella regione visibile (luminescenza dei raggi X) e nei tessuti all'attivazione di molecole e reazioni fotochimiche. L'effetto fotoelettrico si verifica principalmente sugli elettroni dei gusci interni degli atomi ad alto Z.
V) Diffusione incoerente), (Effetto Compton, 1922) si verifica quando l'energia dei fotoni è molto maggiore dell'energia di ionizzazione
hv = hv" + A e + E k. (5)
La radiazione così generata con una frequenza (lunghezza) modificata viene chiamata secondario, si disperde in tutte le direzioni.
Gli elettroni di rinculo, se hanno energia cinetica sufficiente, possono ionizzare gli atomi vicini mediante collisione. Pertanto, come risultato della diffusione incoerente, si forma la radiazione X diffusa secondaria e si verifica la ionizzazione degli atomi della sostanza.
I processi indicati (a, b, c) possono causare numerosi processi successivi. Ad esempio (Fig. 3d), Se, durante l'effetto fotoelettrico, gli elettroni sui gusci interni vengono separati dall'atomo, allora gli elettroni ne hanno di più livelli elevati, che è accompagnato dalla radiazione a raggi X caratteristica secondaria di questa sostanza. I fotoni della radiazione secondaria, interagendo con gli elettroni degli atomi vicini, possono, a loro volta, causare fenomeni secondari.
dispersione coerente
eh 
l'energia e la lunghezza d'onda rimangono invariate
fotoeffetto
il fotone viene assorbito, e – viene separato dall'atomo – ionizzazione
hv = A e + E k
atomo A eccitato dall'assorbimento di un fotone, R – luminescenza dei raggi X
dispersione incoerente
hv = hv"+A e +E a
processi secondari nell'effetto fotoelettrico
Riso. 3 Meccanismi di interazione della radiazione X con la materia
Basi fisiche dell'uso dei raggi X in medicina
Quando la radiazione dei raggi X cade su un corpo, viene leggermente riflessa dalla sua superficie, ma passa principalmente in profondità, mentre viene parzialmente assorbita e diffusa, e parzialmente lo attraversa.
Legge di indebolimento.
Il flusso dei raggi X in una sostanza viene attenuato secondo la legge:
Ô = Ô 0 e – x (6)
dove – lineare coefficiente di attenuazione, che dipende in modo significativo dalla densità della sostanza. Lui pari alla somma tre termini corrispondenti allo scattering coerente 1, incoerente 2 ed effetto fotoelettrico 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Il contributo di ciascun termine è determinato dall'energia del fotone. Di seguito sono riportate le relazioni tra questi processi per i tessuti molli (acqua).
|
Energia, keV |
Effetto foto |
Effetto Compton |
Godere coefficiente di attenuazione di massa, che non dipende dalla densità della sostanza :
m = /. (8)
Il coefficiente di attenuazione della massa dipende dall'energia del fotone e dal numero atomico della sostanza assorbente:
m = k 3 Z 3 . (9)
I coefficienti di indebolimento di massa delle ossa e dei tessuti molli (acqua) sono diversi: m osso / m acqua = 68.
Se un corpo disomogeneo viene posto nel percorso dei raggi X e davanti ad esso viene posto uno schermo fluorescente, allora questo corpo, assorbendo e indebolendo la radiazione, forma un'ombra sullo schermo. Dalla natura di quest'ombra si può giudicare la forma, la densità, la struttura e in molti casi la natura dei corpi. Quelli. La differenza significativa nell'assorbimento della radiazione X da parte dei diversi tessuti consente di vedere l'immagine degli organi interni in una proiezione d'ombra.
Se l'organo esaminato e i tessuti circostanti attenuano in ugual misura la radiazione X, vengono utilizzati agenti di contrasto. Ad esempio, dopo aver riempito lo stomaco e l'intestino con una massa pastosa di solfato di bario (BaS0 4), si può vedere la loro immagine ombra (il rapporto dei coefficienti di attenuazione è 354).
Uso in medicina.
In medicina i raggi X vengono utilizzati con energie fotoniche comprese tra 60 e 100-120 keV per la diagnostica e 150-200 keV per la terapia.
Diagnostica a raggi X – riconoscimento delle malattie mediante esame a raggi X del corpo.
La diagnostica a raggi X viene utilizzata in vari modi, riportati di seguito.
Con fluoroscopia Il tubo radiogeno si trova dietro il paziente. Di fronte c'è uno schermo fluorescente. Sullo schermo viene osservata un'immagine ombra (positiva). In ogni singolo caso, viene selezionata la durezza della radiazione appropriata in modo che passi attraverso i tessuti molli, ma sia sufficientemente assorbita da quelli densi. Altrimenti, otterrai un'ombra uniforme. Sullo schermo il cuore e le costole sono visibili scuri, i polmoni luminosi.
Con la radiografia l'oggetto viene posto su una cassetta contenente pellicola con una speciale emulsione fotografica. Il tubo a raggi X è posizionato sopra l'oggetto. La radiografia risultante fornisce un'immagine negativa, cioè il contrario rispetto all'immagine osservata durante la transilluminazione.
In questo metodo, l'immagine è più chiara rispetto a (1), quindi si osservano dettagli difficili da vedere attraverso la trasmissione. Un'opzione promettente questo metodo è una radiografia tomografia e “versione macchina” – computer
3. tomografia. Con la fluorografia
L'immagine dal grande schermo viene catturata su una pellicola sensibile di piccolo formato. Durante la visualizzazione, le fotografie vengono visualizzate utilizzando una lente d'ingrandimento speciale. Terapia a raggi X
– l’uso dei raggi X per distruggere i tumori maligni.
L'effetto biologico delle radiazioni è quello di interrompere le funzioni vitali, in particolare le cellule in rapida moltiplicazione.
Il metodo della tomografia computerizzata a raggi X si basa sulla ricostruzione di un’immagine di una determinata sezione del corpo del paziente registrando un gran numero di proiezioni di raggi X di questa sezione, eseguite da diverse angolazioni. Le informazioni provenienti dai sensori che registrano queste proiezioni entrano in un computer che, utilizzando un programma speciale, calcola distribuzione strettodimensione del campione nella sezione in studio e la visualizza sul display. L’immagine in sezione trasversale del corpo del paziente così ottenuta è caratterizzata da un’eccellente chiarezza e da un elevato contenuto informativo. Il programma consente, se necessario, aumento contrasto dell'immagine V decine e anche centinaia di volte. Ciò espande le capacità diagnostiche del metodo.
Operatori video (dispositivi con elaborazione digitale delle immagini a raggi X) nell'odontoiatria moderna.
In odontoiatria, l’esame radiografico è il principale metodo diagnostico. Tuttavia, una serie di caratteristiche organizzative e tecniche tradizionali della diagnostica a raggi X la rendono non del tutto confortevole sia per il paziente che per le cliniche odontoiatriche. Questa è, prima di tutto, la necessità del contatto del paziente con le radiazioni ionizzanti, che spesso crea un carico radioattivo significativo sul corpo, è anche la necessità di un fotoprocesso, e quindi la necessità di fotoreagenti, compresi quelli tossici; Si tratta, infine, di un archivio ingombrante, cartelle pesanti e buste con pellicole radiografiche.
Inoltre, l’attuale livello di sviluppo dell’odontoiatria rende insufficiente la valutazione soggettiva delle radiografie da parte dell’occhio umano. Come si è scoperto, dalla varietà di sfumature tono grigio contenuti in un'immagine radiografica, l'occhio ne percepisce solo 64.
È ovvio che per ottenere un'immagine chiara e dettagliata dei tessuti duri del sistema dentofacciale con un'esposizione minima alle radiazioni, sono necessarie altre soluzioni. La ricerca ha portato alla creazione dei cosiddetti sistemi radiografici, videografi - sistemi di radiografia digitale.
Senza dettagli tecnici, il principio di funzionamento di tali sistemi è il seguente. La radiazione a raggi X passa attraverso l'oggetto non verso una pellicola fotosensibile, ma verso uno speciale sensore intraorale (una speciale matrice elettronica). Il segnale corrispondente dalla matrice viene trasmesso a un dispositivo di digitalizzazione (convertitore analogico-digitale, ADC) collegato al computer, che lo converte in forma digitale. Un software speciale crea un'immagine radiografica sullo schermo di un computer e consente di elaborarla, salvarla su un supporto di memorizzazione rigido o flessibile (disco rigido, floppy disk) e stamparla come file come immagine.
In un sistema digitale, un'immagine a raggi X è un insieme di punti aventi diversa valori digitali gradazione del tono grigio. L'ottimizzazione della visualizzazione delle informazioni fornita dal programma consente di ottenere un'inquadratura ottimale in luminosità e contrasto con una dose di radiazioni relativamente bassa.
Nei sistemi moderni, creati, ad esempio, da Trophy (Francia) o Schick (USA), quando si forma una cornice vengono utilizzate 4096 sfumature di grigio, il tempo di esposizione dipende dall'oggetto di studio e, in media, è di centesimi - decimi di un secondo, riducendo l'esposizione alle radiazioni in relazione alla pellicola – fino al 90% per i sistemi intraorali, fino al 70% per i videografi panoramici.
Durante l'elaborazione delle immagini, i videografi possono:
Ricevi immagini positive e negative, immagini pseudo-colori e immagini in rilievo.
Aumenta il contrasto e allarga l'area di interesse nell'immagine.
Valutare i cambiamenti nella densità dei tessuti dentali e delle strutture ossee, monitorare l'uniformità del riempimento del canale.
In endodonzia, determinare la lunghezza di un canale di qualsiasi curvatura e in chirurgia, selezionare la dimensione dell'impianto con una precisione di 0,1 mm.
L'esclusivo sistema di rilevamento della carie con elementi di intelligenza artificiale durante l'analisi di un'immagine consente di rilevare la carie nella fase spot, la carie radicale e la carie nascosta.
“Ф” nella formula (3) si riferisce all'intera gamma di lunghezze d'onda emesse ed è spesso chiamato “flusso di energia integrale”.
Ministero dell'Istruzione e della Scienza della Federazione Russa
Agenzia federale per l'istruzione
Istituto statale di istruzione professionale superiore SUSU
Dipartimento di Chimica Fisica
secondo il corso KSE: “Raggi X”
Completato:
Naumova Daria Gennadievna
Controllato:
Professore associato, K.T.N.
Tanklevskaya N.M.
Čeljabinsk 2010
Introduzione
Capitolo I. Scoperta dei raggi X
Ricevuta
Interazione con la materia
Effetti biologici
Registrazione
Applicazione
Come viene eseguita una radiografia
Raggi X naturali
Capitolo II. Raggi X
Applicazione
Metodo di acquisizione delle immagini
Vantaggi della radiografia
Svantaggi della radiografia
Raggi X
Principio della ricevuta
Vantaggi della fluoroscopia
Svantaggi della fluoroscopia
Tecnologie digitali in fluoroscopia
Metodo di scansione multilinea
Conclusione
Elenco della letteratura usata
Introduzione
I raggi X sono onde elettromagnetiche, la cui energia dei fotoni è determinata dall'intervallo di energia che va dall'ultravioletto alla radiazione gamma, che corrisponde all'intervallo di lunghezze d'onda da 10−4 a 10² Å (da 10−14 a 10−8 m).
Come la luce visibile, i raggi X fanno diventare nera la pellicola fotografica. Questa proprietà ha importante per la medicina, l'industria e ricerca scientifica. Passando attraverso l'oggetto in esame e poi cadendo sulla pellicola fotografica, la radiazione a raggi X lo raffigura su di esso. struttura interna. Poiché il potere di penetrazione della radiazione a raggi X varia a seconda dei materiali, le parti dell'oggetto che sono meno trasparenti producono aree più chiare nella fotografia rispetto a quelle attraverso le quali la radiazione penetra bene. Pertanto, il tessuto osseo è meno trasparente ai raggi X rispetto al tessuto che costituisce la pelle e gli organi interni. Pertanto, durante una radiografia, le ossa appariranno come aree più chiare e il sito della frattura, che è più trasparente alle radiazioni, potrà essere individuato abbastanza facilmente. I raggi X vengono utilizzati anche in odontoiatria per individuare carie e ascessi nelle radici dei denti e nell'industria per individuare crepe nelle fusioni, nella plastica e nella gomma.
I raggi X vengono utilizzati in chimica per analizzare i composti e in fisica per studiare la struttura dei cristalli. Un fascio di raggi X che attraversa un composto chimico produce una caratteristica radiazione secondaria, la cui analisi spettroscopica consente al chimico di determinare la composizione del composto. Quando cade su una sostanza cristallina, un fascio di raggi X viene diffuso dagli atomi del cristallo, fornendo un'immagine chiara e regolare di macchie e strisce su una lastra fotografica, che consente di stabilire la struttura interna del cristallo.
L’uso dei raggi X nel trattamento del cancro si basa sul fatto che uccidono le cellule tumorali. Tuttavia, può anche avere effetti indesiderati sulle cellule normali. Pertanto, è necessario prestare estrema cautela quando si utilizzano i raggi X in questo modo.
Capitolo I. Scoperta dei raggi X
La scoperta dei raggi X è attribuita a Wilhelm Conrad Roentgen. Fu il primo a pubblicare un articolo sui raggi X, che chiamò raggi X. L'articolo di Roentgen intitolato "Su un nuovo tipo di raggi" fu pubblicato il 28 dicembre 1895 sulla rivista della Società fisico-medica di Würzburg. Si ritiene tuttavia dimostrato che i raggi X fossero già stati ottenuti prima. Il tubo a raggi catodici utilizzato da Roentgen nei suoi esperimenti è stato sviluppato da J. Hittorf e W. Crookes. Quando questo tubo funziona, vengono generati i raggi X. Ciò fu dimostrato negli esperimenti di Crookes e, dal 1892, negli esperimenti di Heinrich Hertz e del suo allievo Philipp Lenard attraverso l'annerimento di lastre fotografiche. Tuttavia, nessuno di loro si rese conto dell’importanza della scoperta e non pubblicò i risultati. Inoltre, Nikola Tesla, a partire dal 1897, sperimentò i tubi a raggi catodici, ottenne raggi X, ma non pubblicò i suoi risultati.
Per questo motivo, Roentgen non era a conoscenza delle scoperte fatte prima di lui e scoprì i raggi, in seguito chiamati con il suo nome, in modo indipendente - osservando la fluorescenza derivante durante il funzionamento del tubo a raggi catodici. Roentgen studiò i raggi X per poco più di un anno (dall'8 novembre 1895 al marzo 1897) e pubblicò solo tre articoli relativamente piccoli su di essi, ma fornirono una descrizione così completa dei nuovi raggi che centinaia di opere dei suoi seguaci, poi pubblicati nel corso di 12 anni, non hanno potuto né aggiungere né cambiare nulla di significativo. Roentgen, che aveva perso interesse per i raggi X, disse ai suoi colleghi: “Ho già scritto tutto, non perdete tempo”. La fama di Roentgen venne anche dalla famosa fotografia della mano di sua moglie, che pubblicò nel suo articolo (vedi immagine a destra). Tale fama ha portato a Roentgen il suo primo Premio Nobel in fisica, e il comitato del Nobel sottolineò l'importanza pratica della sua scoperta. Nel 1896 fu usato per la prima volta il nome "raggi X". In alcuni paesi rimane il vecchio nome: raggi X. In Russia, i raggi iniziarono a essere chiamati "raggi X" su suggerimento dello studente V.K. Raggi X - Abram Fedorovich Ioffe.
Posizione sulla scala delle onde elettromagnetiche
Le gamme di energia dei raggi X e dei raggi gamma si sovrappongono su un ampio intervallo di energia. Entrambi i tipi di radiazione sono radiazioni elettromagnetiche e, a parità di energia fotonica, sono equivalenti. La differenza terminologica sta nel modo in cui si verificano: i raggi X vengono emessi con la partecipazione di elettroni (in atomi o liberi) mentre la radiazione gamma viene emessa nei processi di diseccitazione nuclei atomici. I fotoni dei raggi X hanno energie da 100 eV a 250 keV, che corrisponde alla radiazione con una frequenza da 3.1016 Hz a 6.1019 Hz e una lunghezza d'onda da 0,005 a 10 nm (non esiste una definizione generalmente accettata del limite inferiore dell'intervallo dei raggi X nella scala delle lunghezze d'onda). I raggi X molli hanno l’energia fotonica e la frequenza di radiazione più bassa (e la lunghezza d’onda più lunga), mentre i raggi X duri hanno l’energia fotonica e la frequenza di radiazione più alta (e la lunghezza d’onda più corta).
(Fotografia a raggi X (radiografia) della mano di sua moglie, scattata da V.K. Roentgen)
)Ricevuta
I raggi X derivano dalla forte accelerazione di particelle cariche (principalmente elettroni) o da transizioni ad alta energia nei gusci elettronici di atomi o molecole. Entrambi gli effetti vengono utilizzati nei tubi a raggi X, in cui gli elettroni emessi da un catodo caldo vengono accelerati (in questo caso non vengono emessi raggi X, perché l'accelerazione è troppo piccola) e colpiscono l'anodo, dove vengono bruscamente decelerati ( in questo caso vengono emessi raggi X: i cosiddetti . bremsstrahlung) e allo stesso tempo espellono elettroni dai gusci elettronici interni degli atomi metallici di cui è costituito l'anodo. Gli spazi vuoti nei gusci sono occupati da altri elettroni dell'atomo. In questo caso, la radiazione a raggi X viene emessa con una certa energia caratteristica del materiale dell'anodo (radiazione caratteristica, le frequenze sono determinate dalla legge di Moseley:
,dove Z è il numero atomico dell'elemento anodico, A e B sono costanti per un certo valore del numero quantico principale n del guscio elettronico). Attualmente gli anodi sono realizzati principalmente in ceramica e la parte in cui colpiscono gli elettroni è in molibdeno. Durante il processo di accelerazione-decelerazione, solo l'1% dell'energia cinetica dell'elettrone viene trasmessa ai raggi X, il 99% dell'energia viene convertita in calore.
La radiazione a raggi X può essere prodotta anche negli acceleratori di particelle cariche. T.N. La radiazione di sincrotrone si verifica quando un fascio di particelle viene deviato in un campo magnetico, provocando loro un'accelerazione in una direzione perpendicolare al loro movimento. La radiazione di sincrotrone ha uno spettro continuo con un limite superiore. Con parametri opportunamente selezionati (intensità del campo magnetico ed energia delle particelle) è possibile ottenere raggi X anche nello spettro della radiazione di sincrotrone.
Rappresentazione schematica di un tubo a raggi X. X - raggi X, K - catodo, A - anodo (a volte chiamato anticatodo), C - dissipatore di calore, Uh - tensione del filamento del catodo, Ua - tensione di accelerazione, Win - ingresso del raffreddamento ad acqua, Wout - uscita del raffreddamento ad acqua (vedi Tubo a raggi X).
Interazione con la materia
L'indice di rifrazione di quasi tutte le sostanze per i raggi X differisce poco dall'unità. Una conseguenza di ciò è il fatto che non esiste materiale con cui si possa realizzare una lente a raggi X. Inoltre, quando incidono perpendicolarmente su una superficie, i raggi X non vengono quasi riflessi. Nonostante ciò, nell'ottica a raggi X sono stati trovati metodi per costruire elementi ottici per i raggi X.
I raggi X possono penetrare la materia e varie sostanze Vengono assorbiti in modo diverso. L'assorbimento dei raggi X è la loro proprietà più importante nella fotografia a raggi X. L'intensità dei raggi X diminuisce esponenzialmente a seconda del percorso percorso nello strato assorbente (I = I0e-kd, dove d è lo spessore dello strato, coefficiente k è proporzionale a Z3λ3, Z è il numero atomico dell'elemento, λ è la lunghezza d'onda).
L'assorbimento avviene come risultato del fotoassorbimento e dello scattering Compton:
Per fotoassorbimento si intende il processo con cui un fotone espelle un elettrone dal guscio di un atomo, il che richiede che l'energia del fotone sia maggiore di un certo valore minimo. Se consideriamo la probabilità di un evento di assorbimento in funzione dell'energia del fotone, quando viene raggiunta una certa energia, essa (la probabilità) aumenta bruscamente fino al suo valore massimo. Per valori energetici più elevati la probabilità diminuisce continuamente. A causa di questa dipendenza, dicono che esiste un limite di assorbimento. Il posto dell'elettrone eliminato durante l'atto di assorbimento viene preso da un altro elettrone e viene emessa una radiazione con un'energia fotonica inferiore, la cosiddetta. processo di fluorescenza.