Pintu masukBagaimanakah sinaran X-ray dihasilkan? Penggunaan sinar-X dalam perubatan
Dalam kajian dan penggunaan praktikal fenomena atom, sinar-X memainkan salah satu peranan yang paling penting. Terima kasih kepada penyelidikan mereka, banyak penemuan telah dibuat dan kaedah untuk menganalisis bahan telah dibangunkan, digunakan dalam pelbagai bidang. Di sini kita akan melihat salah satu jenis x-ray- sinaran sinar-x ciri.
Sifat dan sifat sinar-X
Sinaran X-ray ialah perubahan frekuensi tinggi dalam keadaan medan elektromagnet, merambat di angkasa pada kelajuan kira-kira 300,000 km/s, iaitu gelombang elektromagnet. Pada skala julat sinaran elektromagnet, sinar-x terletak dalam julat panjang gelombang dari kira-kira 10 -8 hingga 5∙10 -12 meter, iaitu beberapa susunan magnitud lebih pendek daripada gelombang optik. Ini sepadan dengan frekuensi dari 3∙10 16 hingga 6∙10 19 Hz dan tenaga dari 10 eV hingga 250 keV, atau 1.6∙10 -18 hingga 4∙10 -14 J. Perlu diingatkan bahawa sempadan julat frekuensi bagi sinaran elektromagnet agak sewenang-wenangnya kerana pertindihannya.
Adakah interaksi zarah bercas dipercepatkan (elektron tenaga tinggi) dengan medan elektrik dan magnet dan dengan atom jirim.
Foton sinar-X dicirikan oleh tenaga tinggi dan kuasa penembusan dan pengionan yang tinggi, terutamanya untuk sinar-X keras dengan panjang gelombang kurang daripada 1 nanometer (10 -9 m).
Sinar-X berinteraksi dengan jirim, mengionkan atomnya, dalam proses kesan fotoelektrik (penyerapan foto) dan hamburan yang tidak koheren (Compton). Dalam penyerapan foto, foton sinar-X, yang diserap oleh elektron atom, memindahkan tenaga kepadanya. Jika nilainya melebihi tenaga pengikatan elektron dalam atom, maka ia meninggalkan atom. Penyerakan Compton adalah ciri foton sinar-X yang lebih keras (bertenaga). Sebahagian daripada tenaga foton yang diserap dibelanjakan untuk pengionan; dalam kes ini, pada sudut tertentu ke arah foton primer, satu sekunder dipancarkan, dengan frekuensi yang lebih rendah.
Jenis sinaran X-ray. Bremsstrahlung
Untuk menghasilkan rasuk, silinder vakum kaca dengan elektrod terletak di dalam digunakan. Perbezaan potensi merentasi elektrod perlu sangat tinggi - sehingga ratusan kilovolt. Pelepasan termionik berlaku pada katod tungsten, dipanaskan oleh arus, iaitu, elektron dipancarkan daripadanya, yang, dipercepatkan oleh perbezaan potensi, mengebom anod. Hasil daripada interaksi mereka dengan atom anod (kadang-kadang dipanggil anticathode), foton sinar-X dilahirkan.
Bergantung pada proses yang membawa kepada penciptaan foton, jenis sinaran X-ray dibezakan: bremsstrahlung dan ciri.
Elektron boleh, apabila bertemu anod, diperlahankan, iaitu, kehilangan tenaga dalam medan elektrik atomnya. Tenaga ini dipancarkan dalam bentuk foton sinar-x. Sinaran jenis ini dipanggil bremsstrahlung.
Adalah jelas bahawa keadaan brek akan berbeza untuk elektron individu. Ini bermakna ia ditukar kepada sinaran x-ray kuantiti yang berbeza tenaga kinetik mereka. Akibatnya, bremsstrahlung termasuk foton dengan frekuensi yang berbeza dan, dengan itu, panjang gelombang. Oleh itu, spektrumnya adalah berterusan (berterusan). Kadang-kadang atas sebab ini ia juga dipanggil sinaran X-ray "putih".
Tenaga foton bremsstrahlung tidak boleh melebihi tenaga kinetik elektron yang menjananya, jadi frekuensi maksimum (dan panjang gelombang terpendek) sinaran bremsstrahlung sepadan dengan nilai tertinggi tenaga kinetik kejadian elektron pada anod. Yang terakhir bergantung pada perbezaan potensi yang digunakan pada elektrod.
Terdapat satu lagi jenis sinaran X-ray, sumbernya adalah proses yang berbeza. Sinaran ini dipanggil sinaran ciri, dan kami akan membincangkannya dengan lebih terperinci.
Bagaimanakah sinaran sinar-X ciri timbul?
Setelah mencapai anti-katod, elektron pantas boleh menembusi di dalam atom dan mengetuk elektron dari salah satu orbital yang lebih rendah, iaitu, memindahkan kepadanya tenaga yang mencukupi untuk mengatasi halangan berpotensi. Walau bagaimanapun, jika terdapat tahap tenaga yang lebih tinggi dalam atom yang diduduki oleh elektron, ruang kosong tidak akan kekal kosong.
Perlu diingat bahawa struktur elektronik atom, seperti mana-mana sistem tenaga, cenderung untuk meminimumkan tenaga. Kekosongan yang terbentuk akibat knock out diisi dengan elektron dari salah satu peringkat yang lebih tinggi. Tenaganya lebih tinggi, dan, mengambil lebih banyak tahap rendah, ia mengeluarkan lebihan dalam bentuk kuantum sinaran x-ray ciri.
Struktur elektronik atom ialah set diskret keadaan tenaga elektron yang mungkin. Oleh itu, foton sinar-X yang dipancarkan semasa penggantian kekosongan elektron juga hanya boleh mempunyai nilai tenaga yang ditetapkan dengan ketat, mencerminkan perbezaan tahap. Akibatnya, ciri sinaran X-ray mempunyai spektrum yang tidak berterusan, tetapi berbentuk garis. Spektrum ini memungkinkan untuk mencirikan bahan anod - oleh itu nama sinar ini. Ia adalah terima kasih kepada perbezaan spektrum yang jelas apa yang dimaksudkan dengan bremsstrahlung dan sinaran sinar-X ciri.
Kadangkala tenaga yang berlebihan tidak dipancarkan oleh atom, tetapi dibelanjakan untuk mengetuk elektron ketiga. Proses ini - yang dipanggil kesan Auger - lebih berkemungkinan berlaku apabila tenaga pengikat elektron tidak melebihi 1 keV. Tenaga elektron Auger yang dilepaskan bergantung pada struktur tahap tenaga atom, oleh itu spektrum elektron tersebut juga bersifat diskret.
Pandangan umum spektrum ciri
Garis ciri sempit terdapat dalam gambar spektrum sinar-X bersama-sama dengan spektrum bremsstrahlung berterusan. Jika kita membayangkan spektrum sebagai graf keamatan berbanding panjang gelombang (frekuensi), kita akan melihat puncak tajam di lokasi garisan. Kedudukan mereka bergantung pada bahan anod. Maksima ini hadir pada sebarang perbezaan potensi - jika terdapat sinar-X, sentiasa ada puncak juga. Apabila voltan pada elektrod tiub meningkat, keamatan sinaran X-ray berterusan dan ciri meningkat, tetapi lokasi puncak dan nisbah keamatannya tidak berubah.
Puncak dalam spektrum sinar-X mempunyai rupa yang sama tanpa mengira bahan antikatoda yang disinari dengan elektron, tetapi pelbagai bahan terletak pada frekuensi yang berbeza, bersatu dalam siri mengikut kehampiran nilai kekerapan. Antara siri itu sendiri, perbezaan frekuensi adalah lebih ketara. Jenis maksima tidak bergantung dalam apa-apa cara sama ada bahan anod adalah unsur kimia tulen atau bahan kompleks. Dalam kes kedua, spektrum sinar-X ciri unsur-unsur konstituennya hanya ditumpangkan antara satu sama lain.
Apabila nombor atom unsur kimia bertambah, semua baris spektrum sinar-Xnya beralih ke frekuensi yang lebih tinggi. Spektrum mengekalkan penampilannya.
Undang-undang Moseley
Fenomena peralihan spektrum garis ciri telah ditemui secara eksperimen oleh ahli fizik Inggeris Henry Moseley pada tahun 1913. Ini membolehkannya menyambungkan frekuensi maksimum spektrum dengan nombor siri unsur kimia. Oleh itu, panjang gelombang sinaran sinar-X ciri, ternyata, boleh dikaitkan dengan jelas dengan unsur tertentu. DALAM pandangan umum Undang-undang Moseley boleh ditulis seperti berikut: √f = (Z - S n)/n√R, dengan f ialah kekerapan, Z ialah nombor siri unsur, S n ialah pemalar saringan, n ialah nombor kuantum utama dan R ialah pemalar Rydberg. Kebergantungan ini adalah linear dan pada rajah Moseley kelihatan seperti satu siri garis lurus untuk setiap nilai n.
Nilai n sepadan dengan siri individu puncak pelepasan sinar-X ciri. Undang-undang Moseley membolehkan untuk menentukan nombor siri unsur kimia yang disinari oleh elektron keras berdasarkan panjang gelombang yang diukur (ia berkaitan secara unik dengan frekuensi) bagi maksimum spektrum sinar-X.
Struktur cangkerang elektronik unsur kimia adalah sama. Ini ditunjukkan oleh monotonisitas perubahan anjakan dalam spektrum ciri sinaran sinar-X. Peralihan frekuensi tidak mencerminkan struktur, tetapi perbezaan tenaga antara kulit elektron, unik untuk setiap elemen.
Peranan undang-undang Moseley dalam fizik atom
Terdapat sedikit penyelewengan daripada hubungan linear ketat yang dinyatakan oleh undang-undang Moseley. Mereka dikaitkan, pertama, dengan keanehan susunan pengisian kulit elektron beberapa unsur, dan, kedua, dengan kesan relativistik pergerakan elektron atom berat. Di samping itu, apabila bilangan neutron dalam nukleus berubah (anjakan isotop yang dipanggil), kedudukan garisan mungkin berubah sedikit. Kesan ini memungkinkan untuk mengkaji struktur atom secara terperinci.
Kepentingan undang-undang Moseley adalah sangat besar. Penggunaannya yang konsisten terhadap unsur-unsur sistem berkala Mendeleev mewujudkan corak peningkatan nombor ordinal yang sepadan dengan setiap anjakan kecil dalam maksima ciri. Ini membantu untuk menjelaskan persoalan makna fizikal nombor ordinal unsur. Nilai Z bukan sekadar nombor: ia ialah cas elektrik positif nukleus, yang merupakan jumlah unit cas positif zarah yang membentuk komposisinya. Peletakan elemen yang betul dalam jadual dan kehadiran kedudukan kosong di dalamnya (ia masih wujud ketika itu) menerima pengesahan yang kuat. Kesahihan undang-undang berkala telah terbukti.
Undang-undang Moseley, sebagai tambahan, menjadi asas di mana arah keseluruhan penyelidikan eksperimen timbul - spektrometri sinar-X.
Struktur kulit elektron atom
Mari kita ingat secara ringkas bagaimana struktur elektron berstruktur Ia terdiri daripada petala yang ditetapkan oleh huruf K, L, M, N, O, P, Q atau nombor dari 1 hingga 7. Elektron dalam petala dicirikan oleh kuantum utama yang sama. nombor n, yang menentukan nilai tenaga yang mungkin. Dalam kulit luar, tenaga elektron lebih tinggi, dan potensi pengionan untuk elektron luar juga lebih rendah.
Cangkang termasuk satu atau lebih subperingkat: s, p, d, f, g, h, i. Dalam setiap cangkerang, bilangan subperingkat meningkat satu berbanding dengan yang sebelumnya. Bilangan elektron dalam setiap subperingkat dan dalam setiap petala tidak boleh melebihi nilai tertentu. Mereka dicirikan, sebagai tambahan kepada nombor kuantum utama, dengan nilai yang sama dari awan elektron orbit yang menentukan bentuk. Subperingkat ditetapkan oleh cangkerang yang menjadi miliknya, contohnya, 2s, 4d, dan seterusnya.
Sublevel mengandungi yang ditentukan, sebagai tambahan kepada yang utama dan orbital, oleh nombor kuantum lain - magnet, yang menentukan unjuran momentum orbital elektron ke arah medan magnet. Satu orbital boleh mempunyai tidak lebih daripada dua elektron, berbeza dalam nilai nombor kuantum keempat - putaran.
Mari kita pertimbangkan dengan lebih terperinci bagaimana sinaran sinar-X ciri timbul. Memandangkan asal-usul jenis pelepasan elektromagnet ini dikaitkan dengan fenomena yang berlaku di dalam atom, adalah paling mudah untuk menerangkannya dengan tepat dalam anggaran konfigurasi elektronik.
Mekanisme untuk menjana sinaran sinar-X ciri
Jadi, punca sinaran ini adalah pembentukan kekosongan elektron pada kulit dalam, disebabkan oleh penembusan elektron bertenaga tinggi jauh ke dalam atom. Kebarangkalian bahawa elektron keras akan berinteraksi meningkat dengan ketumpatan awan elektron. Oleh itu, perlanggaran berkemungkinan besar berlaku dalam cangkerang dalam yang padat, seperti cangkerang K yang paling rendah. Di sini atom terion dan kekosongan terbentuk dalam cangkerang 1s.
Kekosongan ini diisi oleh elektron dari kulit dengan tenaga yang lebih tinggi, lebihan yang dibawa oleh foton sinar-X. Elektron ini boleh "jatuh" dari cangkang kedua L, dari cangkang ketiga M, dan seterusnya. Ini adalah bagaimana siri ciri terbentuk, dalam contoh ini siri K. Petunjuk dari mana datangnya elektron yang mengisi kekosongan itu diberikan dalam bentuk indeks Yunani dalam sebutan siri. "Alpha" bermaksud ia berasal daripada cangkerang L, "beta" bermaksud ia berasal daripada cangkerang M. Pada masa ini, terdapat kecenderungan untuk menggantikan indeks huruf Yunani dengan indeks Latin yang digunakan untuk menetapkan cangkang.
Keamatan garis alfa dalam siri ini sentiasa tertinggi - ini bermakna kebarangkalian untuk mengisi kekosongan daripada cangkerang jiran adalah yang tertinggi.
Sekarang kita boleh menjawab soalan, apakah tenaga maksimum kuantum sinaran sinar-X ciri. Ia ditentukan oleh perbezaan dalam nilai tenaga tahap di mana peralihan elektron berlaku, mengikut formula E = E n 2 - E n 1, di mana E n 2 dan E n 1 adalah tenaga elektronik. menyatakan antara mana peralihan berlaku. Nilai tertinggi parameter ini diberikan oleh peralihan siri K dengan maksimum tahap tinggi atom unsur berat. Tetapi keamatan garisan ini (ketinggian puncak) adalah yang paling rendah, kerana ia adalah yang paling kecil kemungkinannya.
Jika, disebabkan oleh voltan yang tidak mencukupi pada elektrod, elektron keras tidak dapat mencapai tahap K, ia membentuk kekosongan pada tahap L, dan siri L yang kurang bertenaga dengan panjang gelombang yang lebih panjang terbentuk. Siri seterusnya dilahirkan dengan cara yang sama.
Di samping itu, apabila kekosongan diisi hasil daripada peralihan elektronik, kekosongan baharu muncul dalam cangkerang di atasnya. Ini mewujudkan syarat untuk menjana siri seterusnya. Kekosongan elektron bergerak lebih tinggi dari tahap ke tahap, dan atom memancarkan lata siri spektrum ciri sambil kekal terion.
Struktur halus spektrum ciri
Spektrum sinar-X atom bagi sinaran sinar-X ciri dicirikan oleh struktur halus, yang, seperti dalam spektrum optik, dinyatakan dalam pemisahan garis.
Struktur halus adalah disebabkan oleh fakta bahawa tahap tenaga - kulit elektron - adalah satu set komponen yang terletak berdekatan - subkulit. Untuk mencirikan subkulit, satu lagi nombor kuantum dalaman j diperkenalkan, mencerminkan interaksi momen magnet elektron sendiri dan orbital.
Disebabkan oleh pengaruh interaksi spin-orbit, struktur tenaga atom menjadi lebih kompleks, dan akibatnya, ciri sinaran X-ray mempunyai spektrum yang dicirikan oleh garis berpecah dengan unsur-unsur jarak yang sangat rapat.
Unsur-unsur struktur halus biasanya ditetapkan oleh indeks digital tambahan.
Ciri sinaran X-ray mempunyai ciri yang hanya dipantulkan dalam struktur halus spektrum. Peralihan elektron ke tahap tenaga yang lebih rendah tidak berlaku dari subkulit bawah tahap yang lebih tinggi. Peristiwa sedemikian mempunyai kebarangkalian yang boleh diabaikan.
Penggunaan sinar-X dalam spektrometri
Sinaran ini, kerana ciri-cirinya yang diterangkan oleh undang-undang Moseley, mendasari pelbagai kaedah spektrum sinar-X untuk menganalisis bahan. Apabila menganalisis spektrum sinar-X, sama ada pembelauan sinaran pada kristal (kaedah penyebaran gelombang) atau pengesan yang sensitif kepada tenaga foton sinar-X yang diserap (kaedah penyebaran tenaga) digunakan. Kebanyakan mikroskop elektron dilengkapi dengan beberapa jenis lampiran spektrometri sinar-X.
Spektrometri penyebaran gelombang adalah sangat tepat. Menggunakan penapis khas, puncak paling sengit dalam spektrum diserlahkan, membolehkan untuk mendapatkan sinaran hampir monokromatik dengan frekuensi yang diketahui dengan tepat. Bahan anod dipilih dengan sangat berhati-hati untuk memastikan pancaran monokromatik frekuensi yang dikehendaki diperolehi. Belauannya pada kekisi kristal bahan yang dikaji membolehkan seseorang mengkaji struktur kekisi dengan ketepatan yang tinggi. Kaedah ini juga digunakan dalam kajian DNA dan molekul kompleks lain.
Salah satu ciri sinaran sinar-X ciri juga diambil kira dalam spektrometri gamma. Ini adalah puncak ciri intensiti tinggi. Spektrometer gamma menggunakan pelindung plumbum terhadap sinaran latar belakang luaran yang mengganggu pengukuran. Tetapi plumbum, menyerap sinar gamma, mengalami pengionan dalaman, akibatnya ia secara aktif memancarkan dalam julat sinar-X. Untuk menyerap puncak sengit sinaran sinar-X ciri plumbum, perisai kadmium tambahan digunakan. Ia, seterusnya, terion dan juga memancarkan sinar-X. Untuk meneutralkan puncak ciri kadmium, lapisan pelindung ketiga digunakan - tembaga, maksimum sinar-X yang terletak di luar julat frekuensi operasi spektrometer gamma.
Spektrometri menggunakan kedua-dua bremsstrahlung dan sinar-X ciri. Oleh itu, apabila menganalisis bahan, spektrum penyerapan sinar-X berterusan oleh pelbagai bahan dikaji.
Penemuan dan kebaikan dalam kajian sifat asas sinar-X adalah hak milik saintis Jerman Wilhelm Conrad Roentgen. Sifat yang menakjubkan X-ray yang ditemuinya serta-merta menerima resonans besar dalam dunia saintifik. Walaupun pada masa itu, pada tahun 1895, saintis hampir tidak dapat membayangkan apa faedah, dan kadangkala membahayakan, sinaran sinar-X boleh membawa.
Mari kita ketahui dalam artikel ini bagaimana jenis sinaran ini menjejaskan kesihatan manusia.
Apakah sinaran X-ray
Soalan pertama yang menarik minat pengkaji ialah apakah sinaran X-ray? Satu siri eksperimen membolehkan untuk mengesahkan bahawa ini adalah sinaran elektromagnet dengan panjang gelombang 10 -8 cm, menduduki kedudukan pertengahan antara sinaran ultraungu dan gamma.
Aplikasi sinar-X
Kesemua aspek kesan pemusnahan sinar-X misteri ini sama sekali tidak mengecualikan aspek aplikasinya yang sangat luas. Di manakah sinaran X-ray digunakan?
- Kajian tentang struktur molekul dan hablur.
- Pengesanan kecacatan sinar-X (dalam industri, pengesanan kecacatan pada produk).
- Kaedah penyelidikan dan terapi perubatan.
Aplikasi sinar-X yang paling penting dimungkinkan oleh panjang gelombang yang sangat pendek dan sifat uniknya.
Memandangkan kami berminat dengan kesan sinaran X-ray pada orang yang menghadapinya hanya semasa pemeriksaan atau rawatan perubatan, maka kami akan mempertimbangkan lebih lanjut hanya kawasan penggunaan X-ray ini.
Penggunaan sinar-X dalam bidang perubatan
Walaupun kepentingan istimewa penemuannya, Roentgen tidak mengeluarkan paten untuk kegunaannya, menjadikannya hadiah yang tidak ternilai untuk semua manusia. Sudah dalam Perang Dunia Pertama, mesin X-ray mula digunakan, yang memungkinkan untuk mendiagnosis yang cedera dengan cepat dan tepat. Sekarang kita boleh membezakan dua bidang utama penggunaan sinar-X dalam bidang perubatan:
- diagnostik sinar-X;
- Terapi sinar-X.
Diagnostik sinar-X
Diagnostik sinar-X digunakan dalam pelbagai cara:
Mari kita lihat perbezaan antara kaedah ini.
Kesemua kaedah diagnostik ini adalah berdasarkan keupayaan sinar-X untuk menerangi filem fotografi dan pada kebolehtelapan yang berbeza kepada tisu dan rangka tulang.
Terapi sinar-X
Keupayaan sinar-X untuk memberi kesan biologi pada tisu digunakan dalam perubatan untuk merawat tumor. Kesan pengionan sinaran ini paling aktif ditunjukkan dalam kesannya terhadap sel-sel yang membahagi dengan cepat, iaitu sel-sel tumor malignan.
Walau bagaimanapun, anda juga harus tahu tentang kesan sampingan, pasti mengiringi radioterapi. Hakikatnya ialah sel-sel hematopoietik, endokrin, dan sistem imun juga cepat membahagi. Kesan negatif pada mereka menimbulkan tanda-tanda penyakit radiasi.
Kesan sinaran X-ray pada manusia
Tidak lama selepas penemuan sinar-X yang luar biasa, didapati bahawa sinar-X mempunyai kesan ke atas manusia.
Data ini diperolehi daripada eksperimen ke atas haiwan eksperimen, bagaimanapun, ahli genetik mencadangkan bahawa akibat yang sama boleh meluas ke tubuh manusia.
Mengkaji kesan pendedahan sinar-X telah memungkinkan untuk membangunkan piawaian antarabangsa untuk dos sinaran yang dibenarkan.
Dos sinar-X semasa diagnostik sinar-X
Selepas melawat bilik X-ray, ramai pesakit berasa bimbang tentang bagaimana dos radiasi yang diterima akan menjejaskan kesihatan mereka?
Dos sinaran keseluruhan badan bergantung pada sifat prosedur yang dilakukan. Untuk kemudahan, kami akan membandingkan dos yang diterima dengan sinaran semula jadi, yang menemani seseorang sepanjang hayatnya.
- X-ray: dada - dos sinaran yang diterima adalah bersamaan dengan 10 hari sinaran latar belakang; perut atas dan usus kecil - 3 tahun.
- Tomografi dikira organ rongga perut dan pelvis, serta seluruh badan - 3 tahun.
- Mamografi - 3 bulan.
- X-ray pada bahagian kaki boleh dikatakan tidak berbahaya.
- Bagi x-ray pergigian, dos sinaran adalah minimum, kerana pesakit terdedah kepada sinar x-ray yang sempit dengan tempoh sinaran yang singkat.
Dos sinaran ini memenuhi piawaian yang boleh diterima, tetapi jika pesakit mengalami kebimbangan sebelum menjalani x-ray, dia berhak meminta apron pelindung khas.
Pendedahan kepada sinar-X pada wanita hamil
Setiap orang terpaksa menjalani pemeriksaan X-ray lebih daripada sekali. Tetapi ada peraturan - kaedah diagnostik ini tidak boleh ditetapkan kepada wanita hamil. Embrio yang sedang berkembang sangat terdedah. X-ray boleh menyebabkan keabnormalan kromosom dan, akibatnya, kelahiran kanak-kanak dengan kecacatan perkembangan. Tempoh yang paling terdedah dalam hal ini ialah kehamilan sehingga 16 minggu. Lebih-lebih lagi, sinar-X tulang belakang, kawasan pelvis dan perut adalah paling berbahaya untuk bayi dalam kandungan.
Mengetahui tentang kesan berbahaya sinaran X-ray pada kehamilan, doktor dalam setiap cara yang mungkin mengelak daripada menggunakannya semasa tempoh penting dalam kehidupan wanita ini.
Walau bagaimanapun, terdapat sumber sampingan sinaran X-ray:
- mikroskop elektron;
- tiub gambar TV berwarna, dsb.
Bakal ibu harus sedar akan bahaya yang ditimbulkan oleh mereka.
Diagnostik sinar-X tidak berbahaya untuk ibu yang menyusu.
Apa yang perlu dilakukan selepas X-ray
Untuk mengelakkan kesan minimum daripada pendedahan sinar-X, anda boleh mengambil beberapa langkah mudah:
- selepas x-ray, minum segelas susu - ia menghilangkan dos radiasi yang kecil;
- Ia sangat membantu untuk mengambil segelas wain kering atau jus anggur;
- untuk beberapa waktu selepas prosedur adalah berguna untuk meningkatkan bahagian produk dengan kandungan meningkat iodin (makanan laut).
Tetapi, tiada prosedur perubatan atau langkah khas diperlukan untuk mengeluarkan sinaran selepas x-ray!
Walaupun akibat yang tidak diragukan lagi serius akibat pendedahan kepada sinar-X, bahayanya semasa pemeriksaan perubatan tidak boleh dianggarkan terlalu tinggi - ia dilakukan hanya pada kawasan tertentu badan dan dengan cepat. Manfaat daripada mereka berkali-kali melebihi risiko prosedur ini untuk tubuh manusia.
AGENSI PERSEKUTUAN UNTUK PENDIDIKAN RF
INSTITUSI PENDIDIKAN NEGERI
PENDIDIKAN PROFESIONAL TINGGI
INSTITUT KELULI DAN ALOI NEGERI MOSCOW
(UNIVERSITI TEKNOLOGI)
CAWANGAN NOVOTROITSKY
Jabatan OED
KERJA KURSUS
Disiplin: Fizik
Topik: X-RAY
Pelajar: Nedorezova N.A.
Kumpulan: EiU-2004-25, No. Z.K.: 04N036
Disemak oleh: Ozhegova S.M.
pengenalan
Bab 1. Penemuan X-ray
1.1 Biografi Roentgen Wilhelm Conrad
1.2 Penemuan sinar-X
Bab 2. Sinaran X-ray
2.1 Sumber sinar-X
2.2 Sifat X-ray
2.3 Pengesanan X-ray
2.4 Penggunaan sinar-X
Bab 3. Penggunaan sinar-X dalam metalurgi
3.1 Analisis ketidaksempurnaan struktur kristal
3.2 Analisis spektrum
Kesimpulan
Senarai sumber yang digunakan
Aplikasi
pengenalan
Ia adalah orang yang jarang berlaku yang tidak melalui bilik X-ray. Imej X-ray biasa kepada semua orang. 1995 menandakan ulang tahun keseratus penemuan ini. Sukar untuk membayangkan minat besar yang ditimbulkannya seabad yang lalu. Di tangan seorang lelaki terdapat peranti dengan bantuan yang memungkinkan untuk melihat yang tidak kelihatan.
Sinaran yang tidak kelihatan ini, mampu menembusi, walaupun pada tahap yang berbeza-beza, ke dalam semua bahan, yang mewakili sinaran elektromagnet dengan panjang gelombang kira-kira 10 -8 cm, dipanggil sinaran x-ray, sebagai penghormatan kepada Wilhelm Roentgen, yang menemuinya.
Seperti cahaya yang boleh dilihat, sinar-X menyebabkan filem fotografi menjadi hitam. Harta ini mempunyai penting untuk perubatan, industri dan penyelidikan saintifik. Melepasi objek yang dikaji dan kemudian jatuh ke atas filem fotografi, sinaran sinar-X menggambarkannya di atasnya. struktur dalaman. Memandangkan kuasa penembusan sinaran sinar-X berbeza-beza untuk bahan yang berbeza, bahagian objek yang kurang telus kepadanya menghasilkan kawasan yang lebih ringan dalam gambar berbanding yang melaluinya sinaran menembusi dengan baik. Oleh itu, tisu tulang kurang telus kepada x-ray berbanding tisu yang membentuk kulit dan organ dalaman. Oleh itu, pada x-ray, tulang akan kelihatan sebagai kawasan yang lebih ringan dan tapak patah, yang kurang telus kepada sinaran, dapat dikesan dengan mudah. X-ray juga digunakan dalam pergigian untuk mengesan karies dan abses pada akar gigi, serta dalam industri untuk mengesan keretakan dalam tuangan, plastik dan getah, dalam kimia untuk menganalisis sebatian dan dalam fizik untuk mengkaji struktur kristal.
Penemuan Roentgen diikuti oleh eksperimen oleh penyelidik lain yang menemui banyak sifat baru dan aplikasi sinaran ini. Sumbangan besar telah dibuat oleh M. Laue, W. Friedrich dan P. Knipping, yang menunjukkan pada tahun 1912 pembelauan sinar-x yang melalui kristal; W. Coolidge, yang pada tahun 1913 mencipta tiub X-ray vakum tinggi dengan katod yang dipanaskan; G. Moseley, yang menubuhkan pada tahun 1913 hubungan antara panjang gelombang sinaran dan nombor atom unsur; G. dan L. Bragg, yang menerima pada tahun 1915 Hadiah Nobel untuk membangunkan asas analisis difraksi sinar-X.
tujuan ini kerja kursus ialah kajian fenomena sinaran sinar-X, sejarah penemuan, sifat dan pengenalpastian skop penggunaannya.
Bab 1. Penemuan X-ray
1.1 Biografi Roentgen Wilhelm Conrad
Wilhelm Conrad Roentgen dilahirkan pada 17 Mac 1845 di wilayah Jerman yang bersempadan dengan Belanda, di bandar Lenepe. Beliau menerima pendidikan teknikal di Zurich di Sekolah Teknikal Tinggi (Politeknik) yang sama di mana Einstein kemudian belajar. Keghairahannya terhadap fizik memaksanya, selepas menamatkan pengajian dari sekolah pada tahun 1866, untuk meneruskan pendidikan fiziknya.
Setelah mempertahankan disertasinya untuk ijazah Doktor Falsafah pada tahun 1868, beliau bekerja sebagai pembantu di jabatan fizik, pertama di Zurich, kemudian di Giessen, dan kemudian di Strasbourg (1874-1879) di bawah Kundt. Di sini Roentgen melalui sekolah eksperimen yang baik dan menjadi penguji kelas pertama. Roentgen menjalankan beberapa penyelidikan pentingnya dengan pelajarnya, salah seorang pengasas fizik Soviet A.F. Ioff.
Penyelidikan saintifik berkaitan dengan elektromagnetisme, fizik kristal, optik, fizik molekul.
Pada tahun 1895 dia menemui sinaran dengan panjang gelombang yang lebih pendek daripada sinaran ultraungu (sinar-X), kemudiannya dipanggil sinar-X, dan mengkaji sifatnya: keupayaan untuk dipantulkan, diserap, mengion udara, dsb. Dia mencadangkan reka bentuk tiub yang betul untuk menghasilkan sinar-X - antikatod platinum condong dan katod cekung: dia adalah orang pertama yang mengambil gambar menggunakan sinar-X. Dia menemui pada tahun 1885 medan magnet dielektrik yang bergerak dalam medan elektrik (yang dipanggil "arus sinar-X" dengan jelas menunjukkan bahawa medan magnet dicipta oleh cas bergerak, dan penting untuk penciptaan teori elektronik oleh X. Lorentz Sebilangan besar karya Roentgen ditumpukan kepada sifat kajian cecair, gas, kristal, fenomena elektromagnet, menemui hubungan antara fenomena elektrik dan optik dalam kristal Untuk penemuan sinar yang membawa namanya, Roentgen adalah yang pertama dalam kalangan ahli fizik yang dianugerahkan Hadiah Nobel.
Dari 1900 hingga hari-hari terakhir hidupnya (dia meninggal dunia pada 10 Februari 1923), dia bekerja di Universiti Munich.
1.2 Penemuan sinar-X
Akhir abad ke-19 telah ditandai dengan peningkatan minat dalam fenomena laluan elektrik melalui gas. Faraday juga serius mengkaji fenomena ini, menerangkan pelbagai bentuk pelepasan, dan menemui ruang gelap dalam lajur bercahaya gas jarang. Ruang gelap Faraday memisahkan cahaya katod kebiruan daripada cahaya anodik merah jambu.
Peningkatan selanjutnya dalam rarefaction gas dengan ketara mengubah sifat cahaya. Ahli matematik Plücker (1801-1868) menemui pada tahun 1859, pada vakum yang cukup kuat, pancaran sinar kebiruan lemah yang terpancar dari katod, mencapai anod dan menyebabkan kaca tiub itu bercahaya. Pelajar Plücker Hittorf (1824-1914) pada tahun 1869 meneruskan penyelidikan gurunya dan menunjukkan bahawa bayang-bayang yang berbeza muncul pada permukaan pendarfluor tiub jika jasad pepejal diletakkan di antara katod dan permukaan ini.
Goldstein (1850-1931), mengkaji sifat sinar, memanggilnya sinar katod (1876). Tiga tahun kemudian, William Crookes (1832-1919) membuktikan sifat kebendaan sinar katod dan memanggilnya "bahan berseri," bahan dalam keadaan keempat yang istimewa buktinya adalah meyakinkan dan eksperimen dengan "tiub Crookes" kemudiannya ditunjukkan dalam semua bilik darjah fizik. Pesongan rasuk katod oleh medan magnet dalam tiub Crookes menjadi demonstrasi sekolah klasik.
Walau bagaimanapun, eksperimen mengenai pesongan elektrik sinar katod tidak begitu meyakinkan. Hertz tidak mengesan sisihan sedemikian dan membuat kesimpulan bahawa sinar katod adalah proses berayun dalam eter. Pelajar Hertz F. Lenard, bereksperimen dengan sinar katod, menunjukkan pada tahun 1893 bahawa mereka melalui tingkap yang ditutup dengan kerajang aluminium dan menyebabkan cahaya di ruang di belakang tingkap. Hertz menumpukan artikel terakhirnya, yang diterbitkan pada tahun 1892, untuk fenomena laluan sinar katod melalui badan logam nipis. Ia bermula dengan perkataan:
"Sinar katod berbeza daripada cahaya dengan cara yang ketara berkenaan dengan keupayaannya untuk menembusi jasad pepejal." Menggambarkan hasil eksperimen pada laluan sinar katod melalui daun emas, perak, platinum, aluminium, dll., Hertz menyatakan bahawa dia melakukannya. tidak memerhati sebarang perbezaan khas dalam fenomena Sinar tidak melalui terus melalui daun, tetapi bertaburan oleh pembelauan Sifat sinar katod masih tidak jelas.
Dengan tiub Crookes, Lenard dan lain-lain inilah profesor Würzburg Wilhelm Conrad Roentgen bereksperimen pada penghujung tahun 1895. Sekali, pada penghujung eksperimen, setelah menutup tiub dengan penutup kadbod hitam, mematikan lampu, tetapi tidak namun mematikan induktor yang menjana kuasa tiub, dia melihat cahaya skrin dari barium synoxide yang terletak berhampiran tiub. Tersentuh oleh keadaan ini, Roentgen mula bereksperimen dengan skrin. Dalam laporan pertamanya, "On a New Kind of Rays," bertarikh 28 Disember 1895, dia menulis tentang eksperimen pertama ini: "Sekeping kertas yang disalut dengan barium platinum sulfur dioksida, apabila didekati dengan tiub yang ditutup dengan penutup yang diperbuat daripada kadbod hitam nipis yang muat agak rapat dengannya, dengan setiap pelepasan ia berkelip dengan cahaya terang: ia mula berpendar. Pendarfluor boleh dilihat apabila cukup gelap dan tidak bergantung pada sama ada kertas dibentangkan dengan sisi bersalut barium biru oksida atau tidak ditutup dengan barium biru oksida. Pendarfluor dapat dilihat walaupun pada jarak dua meter dari tiub."
Pemeriksaan yang teliti menunjukkan Roentgen " bahawa kadbod hitam, tidak lutsinar sama ada kepada sinaran matahari yang boleh dilihat dan ultraviolet, atau kepada sinaran arka elektrik, ditembusi oleh beberapa agen yang menyebabkan pendarfluor Roentgen memeriksa kuasa penembusan "ejen, ” yang beliau panggil untuk "X-ray" pendek, untuk pelbagai bahan. Dia mendapati bahawa sinaran melalui kertas, kayu, ebonit, dan lapisan nipis logam secara bebas, tetapi terlewat dengan kuat oleh plumbum.
Dia kemudian menerangkan pengalaman sensasi:
"Jika anda memegang tangan anda di antara tiub pelepasan dan skrin, anda boleh melihat bayang-bayang gelap tulang dalam garis samar bayang-bayang tangan itu sendiri." imej X-ray pertama dengan meletakkannya pada tangannya.
Gambar-gambar ini memberi kesan yang besar; penemuan itu masih belum selesai, dan diagnostik sinar-X telah pun memulakan perjalanannya. "Makmal saya dibanjiri dengan doktor membawa masuk pesakit yang mengesyaki mereka mempunyai jarum bahagian yang berbeza badan,” tulis ahli fizik Inggeris Schuster.
Sudah selepas eksperimen pertama, Roentgen dengan tegas menegaskan bahawa sinar-X berbeza daripada sinar katod, ia tidak membawa cas dan tidak dipesongkan oleh medan magnet, tetapi teruja oleh sinar katod." Sinar-X tidak sama dengan sinar katod , tetapi teruja oleh mereka di dinding kaca tiub pelepasan ”, tulis Roentgen.
Dia juga menegaskan bahawa mereka teruja bukan sahaja dalam kaca, tetapi juga dalam logam.
Setelah menyebut hipotesis Hertz-Lennard bahawa sinar katod "adalah fenomena yang berlaku dalam eter," Roentgen menegaskan bahawa "kita boleh mengatakan sesuatu yang serupa tentang sinar kita." Walau bagaimanapun, dia tidak dapat menemui sifat gelombang sinar; mereka "berkelakuan berbeza daripada sinaran ultraungu, kelihatan dan inframerah yang diketahui sebelum ini." mesej pertamanya, dia menyatakan andaian yang ditinggalkan kemudian bahawa ia boleh menjadi gelombang membujur dalam eter.
Penemuan Roentgen menimbulkan minat yang besar dalam dunia saintifik. Eksperimennya diulang di hampir semua makmal di dunia. Di Moscow mereka diulangi oleh P.N. Lebedev. Di St. Petersburg, pencipta radio A.S. Popov bereksperimen dengan X-ray, menunjukkannya di kuliah umum, dan memperoleh pelbagai imej x-ray. Di Cambridge D.D. Thomson segera menggunakan kesan pengionan sinar-X untuk mengkaji laluan elektrik melalui gas. Penyelidikannya membawa kepada penemuan elektron.
Bab 2. Sinaran X-ray
Sinaran sinar-X ialah sinaran pengion elektromagnet, menduduki kawasan spektrum antara sinaran gamma dan ultraungu dalam jarak gelombang dari 10 -4 hingga 10 3 (dari 10 -12 hingga 10 -5 cm).R. l. dengan panjang gelombang λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - lembut.
2.1 Sumber sinar-X
Sumber x-ray yang paling biasa ialah tiub x-ray
Tiub sinar-X digunakan dalam analisis struktur sinar-X
Ciri-ciri utama tiub sinar-X ialah voltan pecutan maksimum yang dibenarkan (1-500 kV), arus elektron (0.01 mA - 1A), kuasa khusus yang dilesapkan oleh anod (10-10 4 W/mm 2), jumlah penggunaan kuasa (0.002 W - 60 kW) dan saiz fokus (1 µm - 10 mm). Kecekapan tiub sinar-X ialah 0.1-3%.
Sesetengah isotop radioaktif juga boleh berfungsi sebagai sumber sinar-X.
Synchrotron dan cincin simpanan elektron dengan tenaga beberapa GeV boleh berfungsi sebagai sumber sinar-X lembut dengan λ daripada susunan puluhan dan ratusan. Keamatan sinaran sinar-X daripada synchrotrons melebihi tiub sinar-X di kawasan spektrum ini dengan 2-3 pesanan magnitud.
Sumber semula jadi sinar-X ialah Matahari dan objek angkasa yang lain.
2.2 Sifat X-ray
Bergantung pada mekanisme kejadian sinar-X, spektrumnya boleh berterusan (bremsstrahlung) atau garis (ciri). Spektrum sinar-X berterusan dipancarkan oleh zarah bercas pantas akibat nyahpecutannya apabila berinteraksi dengan atom sasaran; spektrum ini mencapai keamatan yang ketara hanya apabila sasaran dihujani dengan elektron. Keamatan sinar-X bremsstrahlung diedarkan ke atas semua frekuensi sehingga sempadan frekuensi tinggi 0, di mana tenaga foton h 0 (h ialah pemalar Planck
Sinaran garisan berlaku selepas pengionan atom dengan pelepasan elektron dari salah satu petala dalamannya. Pengionan sedemikian mungkin terhasil daripada perlanggaran atom dengan zarah cepat seperti elektron (sinar-X primer), atau penyerapan foton oleh atom (sinar-X pendarfluor). Atom terion mendapati dirinya dalam keadaan kuantum awal pada salah satu tahap tenaga tinggi dan selepas 10 -16 -10 -15 saat ia masuk ke keadaan akhir dengan tenaga yang lebih rendah. Dalam kes ini, atom boleh mengeluarkan tenaga berlebihan dalam bentuk foton dengan frekuensi tertentu. Kekerapan garis dalam spektrum sinaran tersebut adalah ciri atom setiap unsur, oleh itu spektrum sinar-X garis dipanggil ciri. Kebergantungan frekuensi garis spektrum ini pada nombor atom Z ditentukan oleh hukum Moseley.
Undang-undang Moseley, undang-undang yang mengaitkan kekerapan garis spektrum sinaran sinar-X ciri unsur kimia dengan nombor atomnya. Ditubuhkan secara eksperimen oleh G. Moseley
di mana R ialah pemalar Rydberg
Undang-undang Moseley adalah bukti yang tidak dapat disangkal tentang penempatan unsur yang betul dalam jadual unsur berkala
Selaras dengan undang-undang Moseley, spektrum ciri sinar-X tidak mendedahkan corak berkala yang wujud dalam spektrum optik. Ini menunjukkan bahawa cangkerang elektron dalaman atom semua unsur, yang muncul dalam spektrum sinar-X ciri, mempunyai struktur yang serupa.
Eksperimen kemudiannya mendedahkan beberapa penyimpangan daripada hubungan linear untuk kumpulan peralihan unsur yang dikaitkan dengan perubahan dalam susunan pengisian kulit elektron luar, serta untuk atom berat, akibat daripada kesan relativistik (dijelaskan secara bersyarat oleh fakta bahawa halaju bahagian dalam adalah setanding dengan kelajuan cahaya).
Bergantung kepada beberapa faktor - bilangan nukleon dalam nukleus (anjakan isotonik), keadaan kulit elektron luar (anjakan kimia), dll. - kedudukan garis spektrum pada rajah Moseley mungkin berubah sedikit. Mempelajari anjakan ini membolehkan kita mendapatkan maklumat terperinci tentang atom.
X-ray Bremsstrahlung yang dipancarkan oleh sasaran yang sangat nipis terpolarisasi sepenuhnya berhampiran 0 ; Apabila 0 berkurang, tahap polarisasi berkurangan. Radiasi ciri, sebagai peraturan, tidak terpolarisasi.
Apabila sinar-X berinteraksi dengan jirim, kesan fotoelektrik boleh berlaku.
Apabila sinar-X melalui lapisan bahan dengan ketebalan x, keamatan awalnya I 0 berkurangan kepada nilai I = I 0 e - μ x dengan μ ialah pekali pengecilan. Kelemahan I berlaku disebabkan oleh dua proses: penyerapan foton sinar-X oleh jirim dan perubahan arah semasa penyebaran. Di kawasan gelombang panjang spektrum, penyerapan sinar-X mendominasi, di kawasan gelombang pendek penyebarannya mendominasi. Darjah penyerapan meningkat dengan cepat dengan peningkatan Z dan λ. Sebagai contoh, sinar-X keras bebas menembusi melalui lapisan udara ~ 10 cm; plat aluminium setebal 3 cm melemahkan sinar-X dengan λ = 0.027 separuh; sinar-X lembut diserap dengan ketara dalam udara dan penggunaan dan penyelidikannya hanya boleh dilakukan dalam vakum atau dalam gas yang menyerap lemah (contohnya, He). Apabila sinar-X diserap, atom-atom bahan menjadi terion.
Kesan sinar-X pada organisma hidup boleh memberi manfaat atau memudaratkan bergantung kepada pengionan yang disebabkannya dalam tisu. Memandangkan penyerapan sinar-X bergantung kepada λ, keamatannya tidak boleh berfungsi sebagai ukuran kesan biologi sinar-X. Pengukuran sinar-X digunakan untuk mengukur secara kuantitatif kesan sinar-X ke atas jirim.
Penyerakan sinar-X di kawasan Z dan λ yang besar berlaku terutamanya tanpa mengubah λ dan dipanggil penyerakan koheren, dan di kawasan Z dan λ kecil, sebagai peraturan, ia meningkat (penyebaran tidak koheren). Terdapat 2 jenis penyebaran sinar-X yang tidak koheren yang diketahui - Compton dan Raman. Dalam penyerakan Compton, yang mempunyai sifat penyerakan korpuskular tidak anjal, disebabkan oleh tenaga yang sebahagiannya hilang oleh foton sinar-X, elektron berundur terbang keluar dari cangkang atom. Dalam kes ini, tenaga foton berkurangan dan arahnya berubah; perubahan dalam λ bergantung kepada sudut serakan. Semasa Raman menyerakkan foton sinar-X bertenaga tinggi pada atom cahaya, sebahagian kecil tenaganya dibelanjakan untuk mengion atom dan arah pergerakan foton berubah. Perubahan dalam foton tersebut tidak bergantung pada sudut serakan.
Indeks biasan n untuk sinar-X berbeza daripada 1 dengan jumlah yang sangat kecil δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5. Kelajuan fasa sinar-X dalam medium lebih besar daripada kelajuan cahaya dalam vakum. Pesongan sinar-X apabila melalui satu medium ke medium lain adalah sangat kecil (beberapa minit lengkok). Apabila sinar-X jatuh dari vakum ke permukaan badan pada sudut yang sangat kecil, ia dipantulkan sepenuhnya secara luaran.
2.3 Pengesanan X-ray
Mata manusia tidak sensitif kepada sinar-X. X-ray
Sinaran dirakam menggunakan filem fotografi sinar-X khas yang mengandungi peningkatan jumlah Ag dan Br. Di rantau λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5, sensitiviti filem fotografi positif biasa agak tinggi, dan butirannya jauh lebih kecil daripada butiran filem X-ray, yang meningkatkan resolusi. Pada λ daripada susunan puluhan dan ratusan, sinar-X hanya bertindak pada lapisan permukaan paling nipis fotoemulsi; Untuk meningkatkan kepekaan filem, ia dipekakan dengan minyak bercahaya. Dalam diagnostik sinar-X dan pengesanan kecacatan, elektrofotografi kadangkala digunakan untuk merakam sinar-X.
X-ray dengan intensiti tinggi boleh dirakam menggunakan kebuk pengionan
2.4 Penggunaan sinar-X
X-ray paling banyak digunakan dalam perubatan untuk diagnostik sinar-x.
Analisis struktur sinar-X
Mikroskopi sinar-X
X-ray yang datang dari angkasa membawa maklumat tentang komposisi kimia jasad kosmik dan proses fizikal yang berlaku di angkasa. Astronomi sinar-X mengkaji sinar-X kosmik.
Bab 3. Penggunaan sinar-X dalam metalurgi
Salah satu tugas utama analisis pembelauan sinar-X adalah untuk menentukan komposisi bahan atau fasa sesuatu bahan. Kaedah pembelauan sinar-X adalah langsung dan dicirikan oleh kebolehpercayaan yang tinggi, kepantasan dan kemurahan relatif. Kaedah tidak memerlukan kuantiti yang banyak bahan, analisis boleh dijalankan tanpa memusnahkan bahagian. Bidang aplikasi analisis fasa kualitatif sangat pelbagai, baik untuk penyelidikan dan kawalan dalam pengeluaran. Anda boleh menyemak komposisi bahan permulaan pengeluaran metalurgi, produk sintesis, pemprosesan, hasil perubahan fasa semasa rawatan terma dan kimia-terma, menganalisis pelbagai lapisan, filem nipis, dll.
Setiap fasa, mempunyai struktur kristalnya sendiri, dicirikan oleh set tertentu nilai diskret jarak antara satah d/n, yang wujud hanya kepada fasa ini, dari maksimum dan ke bawah. Seperti berikut daripada persamaan Wulff-Bragg, setiap nilai jarak antara satah sepadan dengan garis pada corak pembelauan sinar-x dari sampel polihabluran pada sudut tertentu θ (untuk panjang gelombang tertentu λ). Oleh itu, set jarak antara satah tertentu untuk setiap fasa dalam corak pembelauan sinar-x akan sepadan dengan sistem garis tertentu (maksimum pembelauan). Keamatan relatif garis-garis ini dalam corak pembelauan sinar-x bergantung terutamanya pada struktur fasa. Oleh itu, dengan menentukan lokasi garisan pada imej sinar-X (sudutnya θ) dan mengetahui panjang gelombang sinaran di mana imej sinar-X diambil, kita boleh menentukan nilai jarak antara satah d/ n menggunakan formula Wulff-Bragg:
/n = λ/ (2sin θ). (1)
Dengan menentukan set d/n untuk bahan yang dikaji dan membandingkannya dengan data d/n yang diketahui sebelum ini untuk bahan tulen dan pelbagai sebatiannya, adalah mungkin untuk menentukan fasa mana yang membentuk bahan yang diberikan. Perlu ditekankan bahawa fasa yang ditentukan, dan bukan komposisi kimia, tetapi yang terakhir kadangkala boleh disimpulkan jika data tambahan wujud pada komposisi unsur fasa tertentu. Tugas analisis fasa kualitatif amat dipermudahkan jika komposisi kimia bahan yang dikaji diketahui, kerana kemudian andaian awal boleh dibuat tentang fasa yang mungkin dalam kes tertentu.
Perkara utama untuk analisis fasa adalah untuk mengukur dengan tepat d/n dan keamatan garis. Walaupun ini pada dasarnya lebih mudah dicapai menggunakan difraktometer, kaedah foto untuk analisis kualitatif mempunyai beberapa kelebihan, terutamanya dari segi kepekaan (keupayaan untuk mengesan kehadiran sejumlah kecil fasa dalam sampel), serta kesederhanaan teknik eksperimen.
Pengiraan d/n daripada corak pembelauan sinar-x dijalankan menggunakan persamaan Wulff-Bragg.
Nilai λ dalam persamaan ini biasanya digunakan λ α purata siri K:
λ α av = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Kadangkala talian K α1 digunakan. Menentukan sudut pembelauan θ untuk semua garis gambar sinar-X membolehkan anda mengira d/n menggunakan persamaan (1) dan garis-β yang berasingan (jika tiada penapis untuk (sinar-β).
3.1 Analisis ketidaksempurnaan struktur kristal
Semua bahan kristal tunggal sebenar dan, terutamanya, bahan polihabluran mengandungi ketidaksempurnaan struktur tertentu (kecacatan titik, kehelan, pelbagai jenis antara muka, tekanan mikro dan makro), yang mempunyai pengaruh yang sangat kuat ke atas semua sifat dan proses sensitif struktur.
Ketidaksempurnaan struktur menyebabkan pelbagai jenis gangguan dalam kekisi kristal dan, sebagai akibatnya, jenis yang berbeza perubahan dalam corak pembelauan: perubahan dalam jarak interatomik dan antara satah menyebabkan pergeseran maksimum pembelauan, tekanan mikro dan serakan substruktur membawa kepada meluaskan maksima pembelauan, herotan mikro kekisi membawa kepada perubahan dalam keamatan maksimum ini, kehadiran kehelan menyebabkan anomali fenomena semasa laluan sinar-x dan, akibatnya, ketidakhomogenan tempatan kontras pada topogram sinar-X, dsb.
Akibatnya, analisis pembelauan sinar-X adalah salah satu kaedah yang paling bermaklumat untuk mengkaji ketidaksempurnaan struktur, jenis dan kepekatannya, dan sifat pengedaran.
Kaedah langsung tradisional pembelauan sinar-X, yang dilaksanakan pada difraktometer pegun, kerana ciri reka bentuknya, membolehkan penentuan kuantitatif tegasan dan terikan hanya pada sampel kecil yang dipotong daripada bahagian atau objek.
Oleh itu, pada masa ini terdapat peralihan daripada pegun kepada difraktometer sinar-X bersaiz kecil mudah alih, yang memberikan penilaian tegasan dalam bahan bahagian atau objek tanpa pemusnahan pada peringkat pembuatan dan operasinya.
Difraktometer sinar-X mudah alih siri DRP * 1 membolehkan anda memantau tekanan sisa dan berkesan dalam bahagian besar, produk dan struktur tanpa pemusnahan
Program dalam persekitaran Windows membolehkan bukan sahaja untuk menentukan tegasan menggunakan kaedah "sin 2 ψ" dalam masa nyata, tetapi juga untuk memantau perubahan dalam komposisi dan tekstur fasa. Pengesan koordinat linear menyediakan pendaftaran serentak pada sudut pembelauan 2θ = 43°. Tiub sinar-X bersaiz kecil jenis "Fox" dengan kilauan tinggi dan kuasa rendah (5 W) memastikan keselamatan radiologi peranti, di mana pada jarak 25 cm dari kawasan yang disinari tahap sinaran adalah sama dengan tahap latar belakang semula jadi. Peranti siri DRP digunakan dalam menentukan tegasan pada pelbagai peringkat pembentukan logam, semasa pemotongan, pengisaran, rawatan haba, kimpalan, pengerasan permukaan untuk mengoptimumkan operasi teknologi ini. Memantau penurunan tahap tegasan mampatan sisa teraruh dalam produk dan struktur kritikal terutamanya semasa operasinya membolehkan produk dikeluarkan daripada perkhidmatan sebelum ia dimusnahkan, mengelakkan kemungkinan kemalangan dan bencana.
3.2 Analisis spektrum
Bersama-sama dengan menentukan struktur hablur atom dan komposisi fasa bahan untuknya ciri penuh Ia adalah wajib untuk menentukan komposisi kimianya.
Semakin banyak, pelbagai kaedah analisis spektrum yang dipanggil instrumental digunakan dalam amalan untuk tujuan ini. Setiap daripada mereka mempunyai kelebihan dan aplikasi sendiri.
Salah satu keperluan penting dalam banyak kes ialah kaedah yang digunakan memastikan keselamatan objek yang dianalisis; Kaedah analisis inilah yang dibincangkan dalam bahagian ini. Kriteria seterusnya yang mana kaedah analisis yang diterangkan dalam bahagian ini dipilih ialah lokalitinya.
Kaedah analisis spektrum sinar-X pendarfluor adalah berdasarkan penembusan sinaran sinar-X yang agak keras (dari tiub sinar-X) ke dalam objek yang dianalisis, menembusi ke dalam lapisan dengan ketebalan kira-kira beberapa mikrometer. Sinaran sinar-X ciri yang muncul dalam objek memungkinkan untuk mendapatkan data purata pada komposisi kimianya.
Untuk menentukan komposisi unsur bahan, anda boleh menggunakan analisis spektrum sinaran sinar-X ciri sampel yang diletakkan pada anod tiub sinar-X dan tertakluk kepada pengeboman dengan elektron - kaedah pelepasan, atau analisis spektrum sinaran X-ray sekunder (pendarfluor) sampel yang disinari dengan sinar-X keras daripada tiub sinar-X atau sumber lain - kaedah pendarfluor.
Kelemahan kaedah pelepasan adalah, pertama, keperluan untuk meletakkan sampel pada anod tiub sinar-X dan kemudian mengepamnya dengan pam vakum; Jelas sekali, kaedah ini tidak sesuai untuk bahan boleh melebur dan meruap. Kelemahan kedua adalah berkaitan dengan fakta bahawa walaupun objek refraktori rosak oleh pengeboman elektron. Kaedah pendarfluor bebas daripada kelemahan ini dan oleh itu mempunyai aplikasi yang lebih luas. Kelebihan kaedah pendarfluor juga adalah ketiadaan sinaran bremsstrahlung, yang meningkatkan sensitiviti analisis. Perbandingan panjang gelombang yang diukur dengan jadual garis spektrum unsur kimia membentuk asas analisis kualitatif, dan nilai relatif intensiti garis spektrum unsur berbeza yang membentuk bahan sampel membentuk asas analisis kuantitatif. Daripada pemeriksaan mekanisme pengujaan sinaran sinar-X ciri, adalah jelas bahawa sinaran satu atau siri lain (K atau L, M, dsb.) timbul serentak, dan nisbah keamatan garisan dalam siri itu sentiasa malar . Oleh itu, kehadiran satu atau elemen lain ditubuhkan bukan oleh garis individu, tetapi oleh satu siri baris secara keseluruhan (kecuali yang paling lemah, dengan mengambil kira kandungan unsur tertentu). Untuk elemen yang agak ringan, analisis garisan siri K digunakan, untuk unsur berat - garisan siri L; V keadaan yang berbeza(bergantung pada peralatan yang digunakan dan unsur-unsur yang dianalisis), kawasan yang berbeza dari spektrum ciri mungkin paling mudah.
Ciri-ciri utama analisis spektrum sinar-X adalah seperti berikut.
Kesederhanaan spektrum ciri sinar-X walaupun untuk unsur berat (berbanding dengan spektrum optik), yang memudahkan analisis (sebilangan kecil garisan; persamaan dalam susunan relatifnya; dengan peningkatan dalam nombor ordinal terdapat anjakan semula jadi spektrum ke kawasan gelombang pendek, kesederhanaan perbandingan analisis kuantitatif).
Kebebasan panjang gelombang daripada keadaan atom unsur yang dianalisis (bebas atau dalam sebatian kimia). Ini disebabkan oleh fakta bahawa penampilan sinaran sinar-X ciri dikaitkan dengan pengujaan tahap elektronik dalaman, yang dalam kebanyakan kes praktikal tidak berubah bergantung pada tahap pengionan atom.
Keupayaan untuk memisahkan dalam analisis nadir bumi dan beberapa unsur lain yang mempunyai perbezaan kecil dalam spektrum dalam julat optik disebabkan oleh persamaan struktur elektronik cangkerang luar dan berbeza sangat sedikit dalam sifat kimianya.
Kaedah spektroskopi pendarfluor sinar-X adalah "tidak merosakkan", jadi ia mempunyai kelebihan berbanding kaedah spektroskopi optik konvensional apabila menganalisis sampel nipis - kepingan logam nipis, kerajang, dll.
Spektrometer pendarfluor sinar-X telah digunakan secara meluas terutamanya di perusahaan metalurgi, dan di antaranya ialah spektrometer berbilang saluran atau kuantometer yang menyediakan analisis kuantitatif pantas unsur (dari Na atau Mg ke U) dengan ralat kurang daripada 1% daripada nilai yang ditentukan, ambang sensitiviti 10 -3 ... 10 -4% .
sinar x-ray
Kaedah untuk menentukan komposisi spektrum sinaran X-ray
Spektrometer dibahagikan kepada dua jenis: pembelauan kristal dan bebas kristal.
Penguraian sinar-X kepada spektrum menggunakan parut pembelauan semula jadi - hablur - pada asasnya serupa dengan mendapatkan spektrum sinar cahaya biasa menggunakan parut pembelauan buatan dalam bentuk coretan berkala pada kaca. Syarat pembentukan maksimum pembelauan boleh ditulis sebagai keadaan "pantulan" daripada sistem satah atom selari yang dipisahkan oleh jarak d hkl.
Apabila menjalankan analisis kualitatif, seseorang boleh menilai kehadiran unsur tertentu dalam sampel dengan satu baris - biasanya garis paling sengit dalam siri spektrum yang sesuai untuk penganalisis kristal tertentu. Resolusi spektrometer pembelauan kristal adalah mencukupi untuk memisahkan garis ciri unsur genap yang berjiran dalam kedudukan dalam jadual berkala. Walau bagaimanapun, kita juga mesti mengambil kira pertindihan garis yang berbeza bagi elemen yang berbeza, serta pertindihan pantulan susunan yang berbeza. Keadaan ini mesti diambil kira semasa memilih garis analisis. Pada masa yang sama, adalah perlu untuk menggunakan kemungkinan untuk meningkatkan resolusi peranti.
Kesimpulan
Oleh itu, sinar-X ialah sinaran elektromagnet yang tidak kelihatan dengan panjang gelombang 10 5 - 10 2 nm. X-ray boleh menembusi beberapa bahan yang legap kepada cahaya yang boleh dilihat. Ia dipancarkan semasa nyahpecutan elektron cepat dalam bahan (spektrum berterusan) dan semasa peralihan elektron dari kulit elektron luar atom kepada yang dalam (spektrum garis). Sumber sinaran X-ray ialah: tiub sinar-X, beberapa isotop radioaktif, pemecut dan peranti penyimpanan elektron (sinarisasi sinkrotron). Penerima - filem fotografi, skrin pendarfluor, pengesan sinaran nuklear. X-ray digunakan dalam analisis pembelauan sinar-X, perubatan, pengesanan kecacatan, analisis spektrum sinar-X, dsb.
Setelah mempertimbangkan aspek positif penemuan V. Roentgen, perlu diperhatikan kesan biologi yang berbahaya. Ternyata sinaran X-ray boleh menyebabkan sesuatu seperti selaran matahari yang teruk (erythema), disertai, bagaimanapun, oleh kerosakan yang lebih mendalam dan lebih kekal pada kulit. Ulser yang muncul sering bertukar menjadi barah. Dalam banyak kes, jari atau tangan terpaksa dipotong. Terdapat juga kematian.
Telah didapati bahawa kerosakan kulit boleh dielakkan dengan mengurangkan masa dan dos pendedahan, menggunakan pelindung (cth plumbum) dan alat kawalan jauh. Tetapi lain-lain, akibat jangka panjang penyinaran sinar-X secara beransur-ansur muncul, yang kemudiannya disahkan dan dikaji dalam haiwan eksperimen. Kesan yang disebabkan oleh sinar-X dan sinaran mengion lain (seperti sinaran gamma yang dipancarkan oleh bahan radioaktif) termasuk:
) perubahan sementara dalam komposisi darah selepas sinaran berlebihan yang agak kecil;
) perubahan tidak dapat dipulihkan dalam komposisi darah (anemia hemolitik) selepas sinaran berlebihan yang berpanjangan;
) peningkatan insiden kanser (termasuk leukemia);
) penuaan lebih cepat dan kematian lebih awal;
) kejadian katarak.
Kesan biologi sinaran X-ray pada tubuh manusia ditentukan oleh tahap dos sinaran, serta organ badan mana yang terdedah kepada sinaran.
Pengumpulan pengetahuan tentang kesan sinaran X-ray pada tubuh manusia telah membawa kepada pembangunan negara dan piawaian antarabangsa mengenai dos sinaran yang dibenarkan yang diterbitkan dalam pelbagai penerbitan rujukan.
Untuk mengelak kesan berbahaya Kaedah kawalan sinaran sinar-X digunakan:
) ketersediaan peralatan yang mencukupi,
) memantau pematuhan peraturan keselamatan,
) penggunaan peralatan yang betul.
Senarai sumber yang digunakan
1) Blokhin M.A., Fizik sinar-X, ed. ke-2, M., 1957;
) Blokhin M.A., Kaedah kajian spektrum sinar-X, M., 1959;
) X-ray. Sab. disunting oleh M.A. Blokhina, per. dengan dia. dan Inggeris, M., 1960;
) Kharaja F., Kursus am teknologi sinar-X, ed. ke-3, M. - L., 1966;
) Mirkin L.I., Buku Panduan mengenai analisis struktur sinar-X polikristal, M., 1961;
) Vainshtein E.E., Kahana M.M., Jadual rujukan untuk spektroskopi sinar-X, M., 1953.
) X-ray dan analisis elektron-optik. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Buku Teks. Manual untuk universiti. - ed ke-4. Tambah. Dan diolah semula. - M.: "MISiS", 2002. - 360 p.
Aplikasi
Lampiran 1
Pandangan umum tiub X-ray
Lampiran 2
Gambar rajah tiub sinar-X untuk analisis struktur
Gambar rajah tiub sinar-X untuk analisis struktur: 1 - cawan anod logam (biasanya dibumikan); 2 - tingkap berilium untuk pelepasan sinar-X; 3 - katod termionik; 4 - kelalang kaca, mengasingkan bahagian anod tiub dari katod; 5 - terminal katod, yang mana voltan filamen dibekalkan, serta voltan tinggi (berbanding dengan anod); 6 - sistem pemfokusan elektron elektrostatik; 7 - anod (anti-katod); 8 - paip untuk masuk dan keluar air yang mengalir menyejukkan cawan anod.
Lampiran 3
Gambar rajah Moseley
Gambar rajah Moseley untuk siri K-, L- dan M bagi sinaran sinar-X ciri. Paksi absis menunjukkan nombor siri unsur Z, dan paksi ordinat menunjukkan ( Dengan- kelajuan cahaya).
Lampiran 4
kebuk pengionan.
Rajah.1. Keratan rentas kebuk pengionan silinder: 1 - badan kebuk silinder, berfungsi sebagai elektrod negatif; 2 - rod silinder berfungsi sebagai elektrod positif; 3 - penebat.
nasi. 2. Gambar rajah litar untuk menghidupkan kebuk pengionan semasa: V - voltan pada elektrod kebuk; G - galvanometer mengukur arus pengionan.
nasi. 3. Ciri-ciri voltan semasa kebuk pengionan.
nasi. 4. Gambar rajah sambungan kebuk pengionan nadi: C - kapasiti elektrod pengumpul; R - rintangan.
Lampiran 5
Kaunter kilauan.
Litar pembilang kilauan: elektron quanta cahaya (foton) "mematikan" daripada fotokatod; bergerak dari dynode ke dynode, longsoran elektron berganda.
Lampiran 6
Kaunter Geiger-Muller.
nasi. 1. Gambar rajah pembilang kaca Geiger-Müller: 1 - tiub kaca tertutup rapat; 2 - katod (lapisan nipis tembaga pada tiub keluli tahan karat); 3 - keluaran katod; 4 - anod (benang regangan nipis).
nasi. 2. Gambar rajah litar untuk menyambungkan pembilang Geiger-Müller.
nasi. 3. Mengira ciri pembilang Geiger-Müller.
Lampiran 7
Kaunter berkadar.
Skim pembilang berkadar: a - kawasan hanyut elektron; b - kawasan peningkatan gas.
Lampiran 8
Pengesan semikonduktor
Pengesan semikonduktor; Kawasan sensitif diserlahkan dengan teduhan; n ialah rantau semikonduktor dengan kekonduksian elektronik, p - dengan kekonduksian lubang, i - dengan kekonduksian intrinsik; a - pengesan penghalang permukaan silikon; b - pengesan satah germanium-lithium hanyut; c - pengesan sepaksi germanium-litium.
X-RAY
sinaran tidak kelihatan mampu menembusi, walaupun pada tahap yang berbeza-beza, semua bahan. Ia adalah sinaran elektromagnet dengan panjang gelombang kira-kira 10-8 cm Seperti cahaya yang boleh dilihat, sinaran X-ray menyebabkan kehitaman filem fotografi. Harta ini penting untuk perubatan, industri dan penyelidikan saintifik. Melepasi objek yang dikaji dan kemudian jatuh ke atas filem fotografi, sinaran X-ray menggambarkan struktur dalamannya di atasnya. Memandangkan kuasa penembusan sinaran sinar-X berbeza-beza untuk bahan yang berbeza, bahagian objek yang kurang telus kepadanya menghasilkan kawasan yang lebih ringan dalam gambar berbanding yang melaluinya sinaran menembusi dengan baik. Oleh itu, tisu tulang kurang telus kepada x-ray berbanding tisu yang membentuk kulit dan organ dalaman. Oleh itu, pada x-ray, tulang akan kelihatan sebagai kawasan yang lebih ringan dan tapak patah, yang lebih telus kepada sinaran, dapat dikesan dengan mudah. X-ray juga digunakan dalam pergigian untuk mengesan karies dan abses pada akar gigi, dan dalam industri untuk mengesan keretakan pada tuangan, plastik dan getah. X-ray digunakan dalam kimia untuk menganalisis sebatian dan dalam fizik untuk mengkaji struktur kristal. Rasuk sinar-X yang melalui sebatian kimia menghasilkan sinaran sekunder yang berciri, analisis spektroskopi yang membolehkan ahli kimia menentukan komposisi sebatian itu. Apabila jatuh pada bahan kristal, pancaran sinar-X bertaburan oleh atom-atom kristal, memberikan gambaran yang jelas dan teratur tentang bintik-bintik dan jalur pada plat fotografi, yang memungkinkan untuk mewujudkan struktur dalaman kristal. Penggunaan sinar-X dalam rawatan kanser adalah berdasarkan fakta bahawa ia membunuh sel-sel kanser. Walau bagaimanapun, ia juga boleh memberi kesan yang tidak diingini pada sel normal. Oleh itu, berhati-hati yang melampau mesti dilakukan apabila menggunakan X-ray dengan cara ini. Sinaran X-ray ditemui oleh ahli fizik Jerman W. Roentgen (1845-1923). Namanya diabadikan dalam beberapa istilah fizikal lain yang dikaitkan dengan sinaran ini: roentgen ialah unit antarabangsa dos sinaran mengion; gambar yang diambil dalam mesin X-ray dipanggil radiograf; Bidang perubatan radiologi yang menggunakan x-ray untuk mendiagnosis dan merawat penyakit dipanggil radiologi. Roentgen menemui sinaran pada tahun 1895 semasa profesor fizik di Universiti Würzburg. Semasa menjalankan eksperimen dengan sinar katod (elektron mengalir dalam tiub nyahcas), dia melihat bahawa skrin yang terletak berhampiran tiub vakum, ditutup dengan kristal barium cyanoplatinite, bersinar terang, walaupun tiub itu sendiri ditutup dengan kadbod hitam. Roentgen selanjutnya menegaskan bahawa keupayaan menembusi sinar yang tidak diketahui yang ditemuinya, yang dipanggilnya sinar-X, bergantung pada komposisi bahan penyerap. Dia juga memperoleh imej tulang tangannya sendiri dengan meletakkannya di antara tiub nyahcas dengan sinar katod dan skrin yang disalut dengan barium cyanoplatinite. Penemuan Roentgen diikuti oleh eksperimen oleh penyelidik lain yang menemui banyak sifat baru dan aplikasi sinaran ini. Sumbangan besar telah dibuat oleh M. Laue, W. Friedrich dan P. Knipping, yang menunjukkan pada tahun 1912 pembelauan sinaran sinar-X apabila melalui kristal; W. Coolidge, yang pada tahun 1913 mencipta tiub X-ray vakum tinggi dengan katod yang dipanaskan; G. Moseley, yang menubuhkan pada tahun 1913 hubungan antara panjang gelombang sinaran dan nombor atom unsur; G. dan L. Bragg, yang menerima Hadiah Nobel pada tahun 1915 kerana membangunkan asas analisis struktur sinar-X.
MENERIMA X-RAY
Sinaran X-ray berlaku apabila elektron yang bergerak pada kelajuan tinggi berinteraksi dengan jirim. Apabila elektron berlanggar dengan atom apa-apa bahan, ia dengan cepat kehilangan tenaga kinetiknya. Dalam kes ini, kebanyakannya bertukar menjadi haba, dan sebahagian kecil, biasanya kurang daripada 1%, ditukar kepada tenaga sinar-X. Tenaga ini dibebaskan dalam bentuk kuanta - zarah yang dipanggil foton, yang mempunyai tenaga tetapi jisim rehatnya adalah sifar. Foton sinar-X berbeza dalam tenaganya, yang berkadar songsang dengan panjang gelombangnya. Kaedah konvensional untuk menghasilkan sinar-X menghasilkan pelbagai panjang gelombang, yang dipanggil spektrum sinar-X. Spektrum mengandungi komponen yang jelas, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 1. "Continuum" yang luas dipanggil spektrum berterusan atau sinaran putih. Puncak tajam yang diletakkan di atasnya dipanggil garis pancaran sinar-X ciri. Walaupun keseluruhan spektrum adalah hasil perlanggaran elektron dengan jirim, mekanisme untuk kemunculan bahagian dan garis lebarnya adalah berbeza. Bahan tersebut terdiri daripada bilangan yang besar atom, setiap satu daripadanya mempunyai nukleus yang dikelilingi oleh kulit elektron, dengan setiap elektron dalam kulit atom unsur tertentu menduduki beberapa tahap tenaga diskret. Biasanya cangkerang ini, atau tahap tenaga, ditetapkan oleh simbol K, L, M, dsb., bermula dari cangkerang yang paling hampir dengan nukleus. Apabila elektron kejadian dengan tenaga yang cukup tinggi berlanggar dengan salah satu elektron yang berkaitan dengan atom, ia mengetuk elektron itu keluar dari cangkangnya. Ruang kosong diduduki oleh elektron lain dari kulit, yang sepadan dengan tenaga yang lebih tinggi. Yang terakhir ini melepaskan tenaga berlebihan dengan memancarkan foton sinar-X. Oleh kerana elektron cengkerang mempunyai nilai tenaga diskret, foton sinar-X yang terhasil juga mempunyai spektrum diskret. Ini sepadan dengan puncak tajam untuk panjang gelombang tertentu, nilai khusus yang bergantung pada elemen sasaran. Garis ciri membentuk siri K-, L- dan M, bergantung pada petala (K, L atau M) elektron yang dikeluarkan. Hubungan antara panjang gelombang sinar-X dan nombor atom dipanggil hukum Moseley (Rajah 2).
Jika elektron berlanggar dengan nukleus yang agak berat, ia diperlahankan, dan tenaga kinetiknya dibebaskan dalam bentuk foton sinar-X dengan tenaga yang lebih kurang sama. Jika ia terbang melepasi nukleus, ia akan kehilangan hanya sebahagian daripada tenaganya, dan selebihnya akan dipindahkan ke atom lain yang melintasi laluannya. Setiap tindakan kehilangan tenaga membawa kepada pelepasan foton dengan sedikit tenaga. Spektrum sinar-X berterusan muncul, had atasnya sepadan dengan tenaga elektron terpantas. Ini adalah mekanisme untuk pembentukan spektrum berterusan, dan tenaga maksimum (atau panjang gelombang minimum) yang menetapkan sempadan spektrum berterusan adalah berkadar dengan voltan pecutan, yang menentukan kelajuan elektron kejadian. Garis spektrum mencirikan bahan sasaran yang dibombardir, dan spektrum berterusan ditentukan oleh tenaga pancaran elektron dan secara praktikalnya bebas daripada bahan sasaran. Sinaran sinar-X boleh diperolehi bukan sahaja dengan pengeboman elektron, tetapi juga dengan menyinari sasaran dengan sinaran sinar-X dari sumber lain. Walau bagaimanapun, dalam kes ini, kebanyakan tenaga pancaran kejadian masuk ke dalam spektrum sinar-X ciri dan sebahagian kecil daripadanya jatuh ke dalam spektrum berterusan. Adalah jelas bahawa pancaran sinaran sinar-X kejadian mesti mengandungi foton yang tenaganya mencukupi untuk merangsang garis ciri unsur yang dibombardir. Peratusan tenaga yang tinggi bagi setiap spektrum ciri menjadikan kaedah pengujaan sinaran X-ray ini mudah untuk penyelidikan saintifik.
tiub sinar-X. Untuk menghasilkan sinar-X melalui interaksi elektron dengan jirim, anda perlu mempunyai sumber elektron, satu cara untuk mempercepatkannya ke kelajuan tinggi, dan sasaran yang boleh menahan pengeboman elektron dan menghasilkan sinaran sinar-X dengan keamatan yang diperlukan. Peranti yang mengandungi semua ini dipanggil tiub sinar-X. Penyelidik awal menggunakan tiub "deeply evacuated" seperti tiub pelepasan gas moden. Vakum di dalamnya tidak terlalu tinggi. Tiub nyahcas mengandungi sejumlah kecil gas, dan apabila beza keupayaan yang besar digunakan pada elektrod tiub, atom gas ditukar kepada ion positif dan negatif. Yang positif bergerak ke arah elektrod negatif (katod) dan, jatuh di atasnya, mengetuk elektron daripadanya, dan mereka, seterusnya, bergerak ke arah elektrod positif (anod) dan, mengebomnya, mencipta aliran foton sinar-X . Dalam tiub sinar-X moden yang dibangunkan oleh Coolidge (Rajah 3), sumber elektron ialah katod tungsten yang dipanaskan pada suhu tinggi. Elektron dipercepatkan ke kelajuan tinggi dengan beza keupayaan tinggi antara anod (atau anti-katod) dan katod. Oleh kerana elektron mesti mencapai anod tanpa berlanggar dengan atom, vakum yang sangat tinggi diperlukan, yang memerlukan tiub itu dipindahkan dengan baik. Ini juga mengurangkan kebarangkalian pengionan atom gas yang tinggal dan arus sisi yang terhasil.
Elektron difokuskan pada anod oleh elektrod berbentuk khas yang mengelilingi katod. Elektrod ini dipanggil elektrod pemfokus dan, bersama-sama dengan katod, membentuk "lampu sorot elektronik" tiub. Anod yang tertakluk kepada pengeboman elektron mesti dibuat daripada bahan refraktori, kerana kebanyakan tenaga kinetik elektron pengeboman ditukar kepada haba. Di samping itu, adalah wajar bahawa anod dibuat daripada bahan dengan nombor atom yang tinggi, kerana Hasil sinar-X meningkat dengan peningkatan nombor atom. Bahan anod yang paling kerap dipilih ialah tungsten, yang nombor atomnya ialah 74. Reka bentuk tiub sinar-X boleh berbeza-beza bergantung pada keadaan dan keperluan aplikasi.
PENGESANAN X-RAY
Semua kaedah untuk mengesan sinar-X adalah berdasarkan interaksinya dengan jirim. Pengesan boleh terdiri daripada dua jenis: yang memberikan imej dan yang tidak. Yang pertama termasuk fluorografi sinar-X dan peranti fluoroskopi, di mana pancaran sinaran X-ray melalui objek yang dikaji, dan sinaran yang dihantar mengenai skrin bercahaya atau filem fotografi. Imej itu muncul kerana fakta bahawa bahagian objek yang berbeza dalam kajian menyerap sinaran secara berbeza - bergantung pada ketebalan bahan dan komposisinya. Dalam pengesan dengan skrin pendarfluor, tenaga sinar-X ditukar kepada imej yang boleh diperhatikan secara langsung, manakala dalam radiografi ia direkodkan pada emulsi sensitif dan hanya boleh diperhatikan selepas filem itu dibangunkan. Pengesan jenis kedua termasuk pelbagai jenis peranti di mana tenaga sinaran X-ray ditukar kepada isyarat elektrik yang mencirikan keamatan relatif sinaran. Ini termasuk kebuk pengionan, pembilang Geiger, pembilang berkadar, pembilang kilauan, dan beberapa pengesan kadmium sulfida dan selenida khusus. Pada masa ini, pengesan yang paling berkesan boleh dianggap sebagai pembilang kilauan, yang berfungsi dengan baik pada julat tenaga yang luas.
Lihat juga PENGESAN ZARAH. Pengesan dipilih dengan mengambil kira keadaan tugas. Sebagai contoh, jika anda perlu mengukur dengan tepat keamatan sinaran sinar-X yang difraksi, maka pembilang digunakan yang membolehkan anda membuat pengukuran dengan ketepatan pecahan peratus. Sekiranya anda perlu mendaftarkan banyak rasuk yang difraksi, maka adalah dinasihatkan untuk menggunakan filem X-ray, walaupun dalam kes ini adalah mustahil untuk menentukan keamatan dengan ketepatan yang sama.
X-RAY DAN GAMMA DEFECTOSCOPY
Salah satu penggunaan sinar-X yang paling biasa dalam industri adalah dalam kawalan kualiti bahan dan pengesanan kecacatan. Kaedah X-ray adalah tidak merosakkan supaya bahan yang diuji, jika didapati memuaskan keperluan yang diperlukan, kemudiannya boleh digunakan untuk tujuan yang dimaksudkan. Kedua-dua X-ray dan pengesanan kecacatan gamma adalah berdasarkan keupayaan menembusi sinaran X-ray dan ciri-ciri penyerapannya dalam bahan. Kuasa penembusan ditentukan oleh tenaga foton sinar-X, yang bergantung kepada voltan pecutan dalam tiub sinar-X. Oleh itu, sampel tebal dan sampel yang diperbuat daripada logam berat, seperti emas dan uranium, memerlukan sumber sinar-X dengan voltan yang lebih tinggi untuk mengkajinya, manakala bagi sampel nipis sumber dengan voltan yang lebih rendah adalah mencukupi. Untuk pengesanan kecacatan gamma bagi tuangan yang sangat besar dan produk bergulung besar, betatron dan pemecut linear digunakan, mempercepatkan zarah kepada tenaga 25 MeV atau lebih. Penyerapan sinaran sinar-X dalam bahan bergantung kepada ketebalan penyerap d dan pekali serapan m dan diberikan oleh formula I = I0e-md, di mana I ialah keamatan sinaran yang melalui penyerap, I0 ialah keamatan sinaran kejadian, dan e = 2.718 ialah asas logaritma semula jadi. Untuk bahan tertentu pada panjang gelombang (atau tenaga) sinaran sinar-x tertentu, pekali penyerapan ialah pemalar. Tetapi sinaran sumber sinar-X tidak monokromatik, tetapi mengandungi spektrum panjang gelombang yang luas, akibatnya penyerapan pada ketebalan penyerap yang sama bergantung pada panjang gelombang (frekuensi) sinaran. Sinaran X-ray digunakan secara meluas dalam semua industri yang berkaitan dengan pembentukan logam. Ia juga digunakan untuk pemeriksaan laras artileri, produk makanan, plastik, dan untuk menguji peranti dan sistem yang kompleks dalam teknologi elektronik. (Neutronografi, yang menggunakan rasuk neutron dan bukannya sinar-X, digunakan untuk tujuan yang sama.) Sinar-X juga digunakan untuk tugas lain, contohnya, untuk memeriksa lukisan untuk menentukan keasliannya atau untuk mengesan lapisan tambahan cat di atas lapisan asas.
PEMBEZAAN X-RAY
Difraksi sinar-X memberikan maklumat penting tentang pepejal- struktur atom dan bentuk kristalnya, serta mengenai cecair, pepejal amorf dan molekul besar. Kaedah pembelauan juga digunakan untuk dengan tepat (dengan ralat kurang daripada 10-5) menentukan jarak interatomik, mengenal pasti tegasan dan kecacatan, dan menentukan orientasi hablur tunggal. Menggunakan corak pembelauan, anda boleh mengenal pasti bahan yang tidak diketahui, serta mengesan kehadiran kekotoran dalam sampel dan mengenal pastinya. Kepentingan kaedah pembelauan sinar-X untuk kemajuan fizik moden hampir tidak boleh dianggarkan terlalu tinggi, kerana pemahaman moden tentang sifat-sifat jirim akhirnya berdasarkan data mengenai susunan atom dalam pelbagai sebatian kimia, sifat ikatan antara mereka. dan kecacatan struktur. Alat utama untuk mendapatkan maklumat ini ialah kaedah pembelauan sinar-X. Penghabluran difraksi sinar-X adalah penting untuk menentukan struktur molekul besar yang kompleks, seperti molekul asid deoksiribonukleik (DNA), bahan genetik organisma hidup. Sejurus selepas penemuan sinar-X, minat saintifik dan perubatan tertumpu pada keupayaan sinaran ini untuk menembusi badan dan sifatnya. Eksperimen mengenai pembelauan sinaran sinar-X oleh celah dan jeriji pembelauan menunjukkan bahawa ia tergolong dalam sinaran elektromagnet dan mempunyai panjang gelombang tertib 10-8-10-9 cm Malah lebih awal lagi, saintis, khususnya W. Barlow, meneka itu bentuk hablur semulajadi yang teratur dan simetri adalah disebabkan oleh susunan atom yang tersusun yang membentuk hablur. Dalam sesetengah kes, Barlow dapat meramalkan struktur kristal dengan betul. Nilai jarak interatomik yang diramalkan ialah 10-8 cm Fakta bahawa jarak interatomik ternyata mengikut urutan panjang gelombang sinar-X membolehkan, pada dasarnya, untuk memerhatikan pembelauannya. Hasilnya ialah reka bentuk salah satu eksperimen yang paling penting dalam sejarah fizik. M. Laue menganjurkan ujian eksperimen idea ini, yang dijalankan oleh rakan-rakannya W. Friedrich dan P. Knipping. Pada tahun 1912, mereka bertiga menerbitkan karya mereka mengenai hasil pembelauan sinar-X. Prinsip pembelauan sinar-X. Untuk memahami fenomena pembelauan sinar-X, kita perlu mempertimbangkan mengikut urutan: pertama, spektrum sinaran sinar-X, kedua, sifat struktur kristal, dan ketiga, fenomena pembelauan itu sendiri. Seperti yang dinyatakan di atas, sinaran sinar-X ciri terdiri daripada satu siri garis spektrum darjat tinggi monokromatik, ditentukan oleh bahan anod. Menggunakan penapis anda boleh menyerlahkan yang paling sengit. Oleh itu, dengan memilih bahan anod dengan sewajarnya, adalah mungkin untuk mendapatkan sumber sinaran hampir monokromatik dengan panjang gelombang yang sangat tepat. Panjang gelombang sinaran ciri biasanya berkisar antara 2.285 untuk kromium hingga 0.558 untuk perak (nilai untuk pelbagai unsur diketahui kepada enam angka bererti). Spektrum ciri ditumpangkan pada spektrum "putih" berterusan dengan keamatan yang jauh lebih rendah, disebabkan oleh nyahpecutan elektron kejadian dalam anod. Oleh itu, dua jenis sinaran boleh diperolehi daripada setiap anod: ciri dan bremsstrahlung, setiap satunya memainkan peranan penting dengan caranya sendiri. Atom dalam struktur kristal disusun dengan periodicity tetap, membentuk urutan sel yang sama - kekisi spatial. Sesetengah kekisi (seperti untuk kebanyakan logam biasa) agak mudah, manakala yang lain (seperti untuk molekul protein) agak kompleks. Berikut adalah ciri-ciri struktur kristal: jika seseorang bergerak dari titik tertentu satu sel ke titik sepadan sel bersebelahan, maka persekitaran atom yang sama akan didedahkan. Dan jika atom tertentu terletak pada satu titik atau yang lain dalam satu sel, maka atom yang sama akan terletak pada titik yang setara dalam mana-mana sel jiran. Prinsip ini benar-benar sah untuk kristal yang sempurna dan tersusun dengan ideal. Walau bagaimanapun, banyak kristal (sebagai contoh, larutan pepejal logam) tidak bercelaru kepada satu darjah atau yang lain, i.e. tapak yang setara secara kristalografi boleh diduduki oleh atom yang berbeza. Dalam kes ini, bukan kedudukan setiap atom yang ditentukan, tetapi hanya kedudukan atom "purata statistik" ke atas sejumlah besar zarah (atau sel). Fenomena pembelauan dibincangkan dalam artikel OPTIK dan pembaca boleh merujuk artikel tersebut sebelum meneruskan lebih lanjut. Ia menunjukkan bahawa jika gelombang (contohnya, bunyi, cahaya, sinar-x) melalui celah atau lubang kecil, maka gelombang kedua boleh dianggap sebagai sumber gelombang sekunder, dan imej celah atau lubang terdiri daripada cahaya berselang-seli dan jalur gelap. Selanjutnya, jika terdapat struktur berkala lubang atau celah, maka sebagai akibat daripada gangguan menguatkan dan melemahkan sinar yang datang dari lubang yang berbeza, corak difraksi yang jelas muncul. Belauan sinar-X ialah fenomena serakan kolektif di mana peranan lubang dan pusat serakan dimainkan oleh atom-atom tersusun secara berkala bagi struktur kristal. Peningkatan bersama imej mereka pada sudut tertentu menghasilkan corak pembelauan yang serupa dengan yang akan timbul apabila cahaya difraksi pada kisi pembelauan tiga dimensi. Penyerakan berlaku disebabkan oleh interaksi sinar-X kejadian dengan elektron dalam kristal. Disebabkan oleh fakta bahawa panjang gelombang sinar-X adalah susunan magnitud yang sama dengan saiz atom, panjang gelombang sinar-X yang tersebar adalah sama dengan sinar-X kejadian. Proses ini adalah hasil daripada ayunan paksa elektron di bawah pengaruh sinaran sinar-X kejadian. Pertimbangkan sekarang atom dengan awan elektron terikat (mengkelilingi nukleus) yang terkena sinar-X. Elektron dalam semua arah secara serentak menyerakkan sinaran kejadian dan memancarkan sinaran sinar-X mereka sendiri dengan panjang gelombang yang sama, walaupun berbeza keamatan. Keamatan sinaran bertaburan berkaitan dengan nombor atom unsur, kerana nombor atom adalah sama dengan bilangan elektron orbital yang boleh mengambil bahagian dalam penyerakan. (Pergantungan keamatan ini pada nombor atom unsur serakan dan pada arah di mana keamatan diukur dicirikan oleh faktor serakan atom, yang memainkan peranan yang sangat penting dalam analisis struktur kristal.) Marilah kita pilih dalam struktur kristal rantai linear atom yang terletak pada jarak yang sama antara satu sama lain, dan pertimbangkan corak pembelauannya. Telah diperhatikan bahawa spektrum sinar-X terdiri daripada bahagian berterusan ("kontinum") dan satu set ciri garisan yang lebih sengit bagi unsur yang merupakan bahan anod. Katakan kami menapis spektrum berterusan dan mendapat pancaran sinar-X hampir monokromatik yang diarahkan pada rantai atom linear kami. Keadaan penguatan (gangguan penguat) dipenuhi jika perbezaan laluan gelombang yang dihamburkan oleh atom jiran ialah gandaan panjang gelombang. Jika rasuk itu tuju pada sudut a0 kepada garis atom yang dipisahkan oleh selang a (tempoh), maka untuk sudut pembelauan a perbezaan laluan yang sepadan dengan amplifikasi akan ditulis sebagai a(cos a - cosa0) = hl, di mana l ialah panjang gelombang dan h integer (Rajah 4 dan 5).
Untuk memanjangkan pendekatan ini kepada hablur tiga dimensi, hanya perlu memilih baris atom di sepanjang dua arah lain dalam hablur dan menyelesaikan tiga persamaan yang diperoleh bersama untuk tiga paksi hablur dengan noktah a, b dan c. Dua persamaan lain mempunyai bentuk
Ini adalah tiga persamaan asas Laue untuk pembelauan sinar-X, dengan nombor h, k dan c ialah indeks Miller untuk satah pembelauan.
Lihat juga KRISTAL DAN KRISTALOGRAFI. Mempertimbangkan mana-mana persamaan Laue, contohnya yang pertama, anda boleh perhatikan bahawa memandangkan a, a0, l ialah pemalar, dan h = 0, 1, 2, ..., penyelesaiannya boleh diwakili sebagai satu set kon dengan a paksi sepunya a (Rajah 5). Perkara yang sama berlaku untuk arah b dan c. Dalam kes umum penyerakan tiga dimensi (pembelauan), ketiga-tiga persamaan Laue mesti mempunyai penyelesaian yang sama, i.e. tiga kon pembelauan yang terletak pada setiap paksi mesti bersilang; garisan umum persilangan ditunjukkan dalam Rajah. 6. Penyelesaian bersama persamaan membawa kepada hukum Bragg-Wolfe:
l = 2(d/n)sinq, dengan d ialah jarak antara satah dengan indeks h, k dan c (tempoh), n = 1, 2, ... ialah integer (tertib difraksi), dan q ialah sudut membentuk rasuk tuju (serta pembelauan) dengan satah kristal di mana pembelauan berlaku. Menganalisis persamaan hukum Bragg-Wolfe untuk kristal tunggal yang terletak di laluan sinar X-ray monokromatik, kita boleh membuat kesimpulan bahawa pembelauan tidak mudah diperhatikan, kerana kuantiti l dan q adalah tetap, dan sinq KAEDAH ANALISIS PEMBEZAAN
Kaedah Laue. Kaedah Laue menggunakan spektrum sinaran sinar-X "putih" berterusan, yang diarahkan pada kristal tunggal pegun. Untuk nilai tertentu tempoh d, panjang gelombang yang sepadan dengan keadaan Bragg-Wulf dipilih secara automatik daripada keseluruhan spektrum. Lauegram yang diperolehi dengan cara ini memungkinkan untuk menilai arah rasuk yang difraksi dan, akibatnya, orientasi satah kristal, yang juga memungkinkan untuk membuat kesimpulan penting mengenai simetri, orientasi kristal dan kehadiran daripada kecacatan di dalamnya. Walau bagaimanapun, dalam kes ini, maklumat tentang tempoh spatial d hilang. Dalam Rajah. 7 menunjukkan contoh Lauegram. Filem X-ray itu terletak di sisi kristal bertentangan dengan pancaran sinar-X dari sumber jatuh.
Kaedah Debye-Scherrer (untuk sampel polihabluran). Tidak seperti kaedah sebelumnya, sinaran monokromatik digunakan di sini (l = const), dan sudut q dipelbagaikan. Ini dicapai dengan menggunakan sampel polihabluran yang terdiri daripada banyak kristal kecil berorientasikan rawak, di antaranya terdapat beberapa yang memenuhi keadaan Bragg-Wulf. Rasuk difraksi membentuk kon, paksinya diarahkan sepanjang rasuk sinar-X. Untuk pengimejan, jalur sempit filem sinar-X dalam kaset silinder biasanya digunakan, dan sinar-X diedarkan sepanjang diameter melalui lubang dalam filem. Debyegram yang diperoleh dengan cara ini (Rajah 8) mengandungi maklumat yang tepat tentang tempoh d, i.e. tentang struktur kristal, tetapi tidak memberikan maklumat yang terkandung dalam Lauegram. Oleh itu, kedua-dua kaedah saling melengkapi. Mari kita pertimbangkan beberapa aplikasi kaedah Debye-Scherrer.
Pengenalpastian unsur kimia dan sebatian. Dengan menggunakan sudut q yang ditentukan daripada gambar rajah Debye, adalah mungkin untuk mengira jarak antara satah d ciri unsur atau sambungan tertentu. Pada masa ini, banyak jadual nilai d telah disusun yang membolehkan untuk mengenal pasti bukan sahaja unsur atau sebatian kimia tertentu, tetapi juga keadaan fasa yang berbeza bagi bahan yang sama, yang tidak selalu mungkin melalui analisis kimia. Ia juga mungkin untuk menentukan dengan ketepatan yang tinggi kandungan komponen kedua dalam aloi penggantian daripada pergantungan tempoh d pada kepekatan.
Analisis tekanan. Berdasarkan perbezaan yang diukur dalam jarak antara planar untuk arah yang berbeza dalam kristal, adalah mungkin, mengetahui modulus keanjalan bahan, untuk mengira tegasan kecil di dalamnya dengan ketepatan yang tinggi.
Kajian orientasi keutamaan dalam kristal. Jika hablur kecil dalam sampel polihablur tidak berorientasikan secara rawak sepenuhnya, maka gelang dalam corak Debye akan mempunyai keamatan yang berbeza. Dengan adanya orientasi keutamaan yang dinyatakan dengan jelas, maksimum keamatan tertumpu pada titik individu dalam imej, yang menjadi serupa dengan imej untuk kristal tunggal. Sebagai contoh, semasa rolling sejuk dalam, kepingan logam memperoleh tekstur - orientasi jelas kristal. Gambar rajah Debye boleh digunakan untuk menilai sifat pemprosesan sejuk bahan.
Kajian saiz bijirin. Jika saiz butiran polikristal lebih daripada 10-3 cm, maka garisan pada rajah Debye akan terdiri daripada bintik-bintik individu, kerana dalam kes ini bilangan kristal tidak mencukupi untuk meliputi keseluruhan julat sudut q. Jika saiz kristal kurang daripada 10-5 cm, maka garisan pembelauan menjadi lebih luas. Lebarnya adalah berkadar songsang dengan saiz kristal. Pelebaran berlaku atas sebab yang sama iaitu apabila bilangan celah berkurangan, resolusi parut pembelauan berkurangan. Sinaran sinar-X memungkinkan untuk menentukan saiz butiran dalam julat 10-7-10-6 cm.
Kaedah untuk kristal tunggal. Agar pembelauan pada kristal memberikan maklumat bukan sahaja tentang tempoh ruang, tetapi juga tentang orientasi setiap set satah pembelauan, kaedah kristal tunggal berputar digunakan. Pancaran sinar-X monokromatik berlaku pada kristal. Kristal berputar mengelilingi paksi utama, yang mana persamaan Laue dipenuhi. Dalam kes ini, sudut q, yang termasuk dalam formula Bragg-Wulf, berubah. Maksima pembelauan terletak pada persilangan kon pembelauan Laue dengan permukaan silinder filem (Rajah 9). Hasilnya ialah corak pembelauan jenis yang ditunjukkan dalam Rajah. 10. Walau bagaimanapun, komplikasi mungkin disebabkan oleh pertindihan susunan pembelauan yang berbeza pada satu titik. Kaedah ini boleh dipertingkatkan dengan ketara jika, serentak dengan putaran kristal, filem itu digerakkan dengan cara tertentu.
Penyelidikan cecair dan gas. Adalah diketahui bahawa cecair, gas dan jasad amorf tidak mempunyai struktur kristal yang betul. Tetapi di sini antara atom dalam molekul ada ikatan kimia, yang menyebabkan jarak antara mereka kekal hampir tetap, walaupun molekul itu sendiri berorientasikan secara rawak di angkasa. Bahan tersebut juga menghasilkan corak pembelauan dengan bilangan maksima kabur yang agak kecil. Memproses gambar sedemikian menggunakan kaedah moden memungkinkan untuk mendapatkan maklumat tentang struktur walaupun bahan bukan kristal tersebut.
ANALISIS X-RAY SPECTROCHEMICAL
Hanya beberapa tahun selepas penemuan sinar-X, Charles Barkla (1877-1944) mendapati bahawa apabila bahan terdedah kepada fluks sinar-X bertenaga tinggi, sinar-X pendarfluor sekunder timbul, ciri-ciri unsur yang dikaji. Tidak lama selepas ini, G. Moseley, dalam satu siri eksperimennya, mengukur panjang gelombang sinaran sinar-x ciri utama yang diperolehi oleh pengeboman elektron pelbagai unsur, dan memperoleh hubungan antara panjang gelombang dan nombor atom. Eksperimen ini, serta ciptaan Bragg tentang spektrometer sinar-X, meletakkan asas untuk analisis sinar-X spektrokimia. Potensi sinar-X untuk analisis kimia segera direalisasikan. Spektrograf dicipta dengan rakaman pada plat fotografi, di mana sampel yang dikaji berfungsi sebagai anod tiub sinar-X. Malangnya, teknik ini ternyata sangat intensif buruh, dan oleh itu hanya digunakan apabila kaedah analisis kimia konvensional tidak boleh digunakan. Contoh cemerlang penyelidikan inovatif dalam bidang spektroskopi sinar-X analitikal ialah penemuan pada tahun 1923 unsur baru, hafnium, oleh G. Hevesy dan D. Coster. Pembangunan tiub sinar-X yang berkuasa untuk radiografi dan pengesan sensitif untuk pengukuran radiokimia semasa Perang Dunia II banyak ditentukan pertumbuhan pesat spektrografi sinar-X pada tahun-tahun berikutnya. Kaedah ini telah meluas kerana kelajuan, kemudahan, sifat analisis yang tidak merosakkan dan kemungkinan automasi penuh atau separa. Ia boleh digunakan dalam tugas analisis kuantitatif dan kualitatif semua unsur dengan nombor atom lebih besar daripada 11 (natrium). Walaupun analisis spektrokimia sinar-X biasanya digunakan untuk menentukan komponen penting dalam sampel (dari 0.1-100%), dalam beberapa kes ia sesuai untuk kepekatan 0.005% dan lebih rendah.
Spektrometer sinar-X. Spektrometer sinar-X moden terdiri daripada tiga sistem utama (Rajah 11): sistem pengujaan, i.e. Tiub sinar-X dengan anod diperbuat daripada tungsten atau bahan refraktori lain dan bekalan kuasa; sistem analisis, i.e. kristal penganalisis dengan dua kolimator berbilang celah, serta spektrogoniometer untuk pelarasan yang tepat; dan sistem rakaman dengan pembilang Geiger atau pembilang berkadar atau kilauan, serta penerus, penguat, peranti penskala dan perakam atau peranti rakaman lain.
Analisis pendarfluor sinar-X. Sampel yang dianalisis terletak di laluan sinaran sinar-X yang menarik. Kawasan sampel yang dikaji biasanya diasingkan oleh topeng dengan lubang diameter yang diperlukan, dan sinaran melalui kolimator yang membentuk rasuk selari. Di belakang kristal penganalisis, kolimator celah menghasilkan sinaran difraksi untuk pengesan. Lazimnya, sudut maksimum q dihadkan kepada 80-85°, supaya hanya sinaran sinar-X yang panjang gelombangnya l berkaitan dengan jarak antara satah d oleh ketaksamaan l boleh difraksi pada kristal penganalisis. X-ray mikroanalisis. Spektrometer penganalisis kristal rata yang diterangkan di atas boleh disesuaikan untuk analisis mikro. Ini dicapai dengan menyempitkan sama ada pancaran X-ray primer atau pancaran sekunder yang dipancarkan oleh sampel. Walau bagaimanapun, mengurangkan saiz berkesan sampel atau apertur sinaran membawa kepada penurunan dalam keamatan sinaran difraksi yang direkodkan. Penambahbaikan pada kaedah ini boleh dicapai dengan menggunakan spektrometer dengan kristal melengkung, yang memungkinkan untuk merekodkan kon sinaran mencapah, dan bukan hanya sinaran selari dengan paksi kolimator. Menggunakan spektrometer sedemikian, zarah yang lebih kecil daripada 25 mikron boleh dikenal pasti. Pengurangan yang lebih besar dalam saiz sampel yang dianalisis dicapai dalam mikroanalisis X-ray probe elektron, yang dicipta oleh R. Kasten. Di sini, pancaran elektron yang sangat fokus merangsang sinaran sinar-X ciri sampel, yang kemudiannya dianalisis oleh spektrometer kristal bengkok. Menggunakan peranti sedemikian, adalah mungkin untuk mengesan kuantiti bahan dari urutan 10-14 g dalam sampel dengan diameter 1 mikron. Pemasangan dengan pengimbasan pancaran elektron bagi sampel juga telah dibangunkan, dengan bantuannya adalah mungkin untuk mendapatkan gambaran dua dimensi taburan ke atas sampel unsur yang sinaran ciri spektrometernya ditala.
DIAGNOSTIK X-RAY PERUBATAN
Perkembangan teknologi sinar-X telah memungkinkan untuk mengurangkan masa pendedahan dengan ketara dan meningkatkan kualiti imej, membolehkan kajian walaupun tisu lembut.
Fluorografi. Kaedah diagnostik ini melibatkan penggambaran imej bayangan daripada skrin penghantaran. Pesakit diletakkan di antara sumber sinar-X dan skrin fosfor rata (biasanya sesium iodida), yang bersinar apabila terdedah kepada sinar-X. Tisu biologi pelbagai darjah ketumpatan menghasilkan bayang-bayang sinar-X dengan pelbagai darjah keamatan. Pakar radiologi memeriksa imej bayang pada skrin pendarfluor dan membuat diagnosis. Pada masa lalu, ahli radiologi bergantung pada penglihatan untuk menganalisis imej. Pada masa kini terdapat pelbagai sistem yang meningkatkan imej, memaparkannya skrin televisyen atau merekod data dalam ingatan komputer.
Radiografi. Merakam imej x-ray secara langsung pada filem fotografi dipanggil radiografi. Dalam kes ini, organ yang dikaji terletak di antara sumber sinar-X dan filem fotografi, yang merekodkan maklumat tentang keadaan organ dalam pada masa ini masa. Radiografi berulang membolehkan untuk menilai evolusi selanjutnya. Radiografi memungkinkan untuk memeriksa dengan tepat integriti tisu tulang, yang terdiri terutamanya daripada kalsium dan legap kepada sinaran x-ray, serta pecah tisu otot. Dengan bantuannya, lebih baik daripada stetoskop atau mendengar, keadaan paru-paru dianalisis sekiranya berlaku keradangan, batuk kering atau kehadiran cecair. X-ray digunakan untuk menentukan saiz dan bentuk jantung, serta dinamik perubahannya pada pesakit yang menderita penyakit jantung.
Ejen kontras. Bahagian badan dan rongga organ individu yang lutsinar kepada sinaran X-ray akan kelihatan jika ia dipenuhi dengan agen kontras yang tidak berbahaya kepada badan, tetapi membolehkan seseorang untuk menggambarkan bentuk organ dalaman dan memeriksa fungsinya. Pesakit sama ada mengambil agen kontras secara lisan (seperti garam barium semasa memeriksa saluran gastrousus) atau ia diberikan secara intravena (seperti larutan yang mengandungi iodin semasa memeriksa buah pinggang dan saluran kencing). Walau bagaimanapun, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kaedah ini telah digantikan dengan kaedah diagnostik berdasarkan penggunaan atom radioaktif dan ultrasound.
Tomografi yang dikira. Pada tahun 1970-an, kaedah diagnostik sinar-x baru telah dibangunkan, berdasarkan penggambaran seluruh badan atau bahagiannya. Imej lapisan nipis ("hirisan") diproses oleh komputer, dan imej akhir dipaparkan pada skrin monitor. Kaedah ini dipanggil tomografi x-ray yang dikira. Ia digunakan secara meluas dalam perubatan moden untuk mendiagnosis infiltrat, tumor dan gangguan otak lain, serta untuk mendiagnosis penyakit tisu lembut di dalam badan. Teknik ini tidak memerlukan pengenalan agen kontras asing dan oleh itu lebih cepat dan lebih berkesan daripada teknik tradisional.
KESAN BIOLOGI SINARAN X-RAY
Kesan biologi berbahaya sinaran X-ray ditemui sejurus selepas penemuannya oleh Roentgen. Ternyata sinaran baru boleh menyebabkan sesuatu seperti selaran matahari yang teruk (erythema), disertai, bagaimanapun, oleh kerosakan yang lebih mendalam dan lebih kekal pada kulit. Ulser yang muncul sering bertukar menjadi barah. Dalam banyak kes, jari atau tangan terpaksa dipotong. Terdapat juga kematian. Telah didapati bahawa kerosakan kulit boleh dielakkan dengan mengurangkan masa dan dos pendedahan, menggunakan pelindung (cth plumbum) dan alat kawalan jauh. Tetapi lain-lain, akibat jangka panjang penyinaran sinar-X secara beransur-ansur muncul, yang kemudiannya disahkan dan dikaji dalam haiwan eksperimen. Kesan yang disebabkan oleh sinar-x, serta sinaran mengion lain (seperti sinaran gamma yang dipancarkan oleh bahan radioaktif) termasuk: 1) perubahan sementara dalam komposisi darah selepas pendedahan berlebihan yang agak kecil; 2) perubahan tidak dapat dipulihkan dalam komposisi darah (anemia hemolitik) selepas penyinaran berlebihan yang berpanjangan; 3) peningkatan insiden kanser (termasuk leukemia); 4) penuaan lebih cepat dan kematian lebih awal; 5) berlakunya katarak. Di samping itu, eksperimen biologi ke atas tikus, arnab dan lalat buah telah menunjukkan bahawa walaupun dos kecil penyinaran sistematik populasi besar akibat peningkatan kadar mutasi membawa kepada kesan genetik yang berbahaya. Kebanyakan ahli genetik mengiktiraf kebolehgunaan data ini kepada tubuh manusia. Bagi kesan biologi sinaran X-ray pada tubuh manusia, ia ditentukan oleh tahap dos sinaran, serta organ tertentu badan yang terdedah kepada penyinaran. Sebagai contoh, penyakit darah disebabkan oleh penyinaran organ hematopoietik, terutamanya sumsum tulang, dan akibat genetik disebabkan oleh penyinaran organ kemaluan, yang juga boleh menyebabkan kemandulan. Pengumpulan pengetahuan tentang kesan sinaran X-ray pada tubuh manusia telah membawa kepada pembangunan piawaian kebangsaan dan antarabangsa untuk dos sinaran yang dibenarkan, diterbitkan dalam pelbagai penerbitan rujukan. Sebagai tambahan kepada sinaran X-ray, yang sengaja digunakan oleh manusia, terdapat juga yang dipanggil berselerak, sinaran sisi, yang berlaku untuk pelbagai sebab, contohnya disebabkan oleh penyebaran disebabkan oleh ketidaksempurnaan skrin pelindung plumbum, yang tidak tidak menyerap sepenuhnya sinaran ini. Di samping itu, banyak peranti elektrik yang tidak direka bentuk untuk menghasilkan sinar-X namun menjananya sebagai hasil sampingan. Peranti sedemikian termasuk mikroskop elektron, lampu pembetulan voltan tinggi (kenotron), serta tiub gambar televisyen warna lapuk. Pengeluaran tiub gambar berwarna moden di banyak negara kini berada di bawah kawalan kerajaan.
BAHAYA SINARAN X-RAY
Jenis dan tahap bahaya sinaran X-ray untuk orang bergantung kepada bilangan orang yang terdedah kepada sinaran.
Profesional yang bekerja dengan peralatan x-ray. Kategori ini termasuk ahli radiologi, doktor gigi, serta pekerja saintifik dan teknikal serta kakitangan yang menyelenggara dan menggunakan peralatan X-ray. Langkah-langkah berkesan sedang diambil untuk mengurangkan tahap sinaran yang perlu mereka hadapi.
Pesakit. Tiada kriteria yang ketat, dan tahap radiasi selamat yang diterima pesakit semasa rawatan ditentukan oleh doktor yang merawat. Doktor dinasihatkan supaya tidak mendedahkan pesakit kepada sinar-X tanpa perlu. Penjagaan khusus perlu diambil semasa memeriksa wanita hamil dan kanak-kanak. Dalam kes ini, langkah khas diambil.
Kaedah kawalan. Terdapat tiga aspek dalam fikiran di sini:
1) ketersediaan peralatan yang mencukupi, 2) memantau pematuhan peraturan keselamatan, 3) penggunaan peralatan yang betul. Semasa pemeriksaan X-ray, hanya kawasan yang dikehendaki perlu terdedah kepada sinaran, sama ada untuk pemeriksaan pergigian atau pemeriksaan paru-paru. Ambil perhatian bahawa sejurus selepas mematikan mesin sinar-X, sinaran primer dan sekunder hilang; Juga tiada sinaran sisa, yang tidak selalu diketahui walaupun oleh mereka yang terlibat secara langsung dengannya melalui kerja mereka.
Lihat juga
STRUKTUR ATOM;
Ia dipancarkan dengan penyertaan elektron, berbeza dengan sinaran gamma, iaitu nuklear. Secara buatan, sinar-X dicipta dengan mempercepatkan zarah bercas dengan kuat dan oleh elektron yang berpindah dari satu tahap tenaga ke tahap tenaga yang lain, membebaskan sejumlah besar tenaga. Peranti yang boleh digunakan ialah tiub sinar-X dan pemecut zarah bercas. Sumber semula jadinya ialah atom dan objek angkasa yang tidak stabil secara radioaktif.
Sejarah penemuan
Ia dibuat pada November 1895 oleh Roentgen, seorang saintis Jerman yang menemui kesan pendarfluor barium platinum sianida semasa operasi tiub sinar katod. Beliau menerangkan ciri-ciri sinar ini secara terperinci, termasuk keupayaannya untuk menembusi tisu hidup. Para saintis memanggil mereka X-ray nama "X-ray" berakar di Rusia kemudian.
Apakah ciri sinaran jenis ini?
Adalah logik bahawa ciri-ciri sinaran ini ditentukan oleh sifatnya. Gelombang elektromagnet ialah sinar-X. Sifat-sifatnya adalah seperti berikut:
Sinaran X-ray - bahaya
Sudah tentu, pada saat pembukaan dan selama bertahun-tahun selepas itu tiada siapa yang menyedari betapa bahayanya.
Di manakah X-ray digunakan?
- Ubat. Diagnostik sinar-X ialah "pemeriksaan" organisma hidup. Terapi sinar-X menjejaskan sel tumor.
- Sains. Penghabluran, kimia dan biokimia menggunakannya untuk mendedahkan struktur jirim.
- industri. Pengesanan kecacatan pada bahagian logam.
- Keselamatan. Peralatan X-ray digunakan untuk mengesan barang berbahaya dalam bagasi di lapangan terbang dan tempat lain.