Co wiemy o promieniach rentgenowskich?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

W XIX wieku promieniowanie niewidoczne dla ludzkiego oka, zdolne do przenikania przez ciało i inne materiały, wydawało się czymś zupełnie fantastycznym. Obecnie promienie rentgenowskie są szeroko stosowane do tworzenia obrazów medycznych, prowadzenia radioterapii, analizy dzieł sztuki i rozwiązywania problemów związanych z energią jądrową.

Jak odkryto promieniowanie rentgenowskie i jak pomaga ono ludziom – dowiadujemy się wspólnie z fizykiem Aleksandrem Nikołajewiczem Dołgowem.

Odkrycie promieni rentgenowskich

Od końca XIX wieku nauka zaczęła odgrywać zupełnie nową rolę w kształtowaniu obrazu świata. Przed stu laty działalność naukowców miała charakter amatorski i prywatny. Jednak pod koniec XVIII wieku, w wyniku rewolucji naukowo-technicznej, nauka przekształciła się w działalność systematyczną, w której każde odkrycie stało się możliwe dzięki wkładowi wielu specjalistów.

Zaczęły pojawiać się instytuty badawcze, periodyki naukowe, powstała konkurencja i walka o uznanie praw autorskich do osiągnięć naukowych i nowinek technicznych. Wszystkie te procesy miały miejsce w Cesarstwie Niemieckim, gdzie pod koniec XIX wieku kajzer promował osiągnięcia naukowe, które podnosiły prestiż kraju na arenie światowej.

Jednym z naukowców, który z entuzjazmem pracował w tym okresie, był profesor fizyki, rektor Uniwersytetu w Würzburgu Wilhelm Konrad Roentgen. 8 listopada 1895, jak to się często zdarzało, przebywał do późna w laboratorium i postanowił przeprowadzić eksperymentalne badania wyładowań elektrycznych w szklanych lampach próżniowych. Zaciemnił pomieszczenie i owinął jedną z rurek nieprzezroczystym czarnym papierem, aby ułatwić obserwację zjawisk optycznych towarzyszących wyładowaniu. Ku mojemu zaskoczeniu

Roentgen zobaczył pasmo fluorescencji na pobliskim ekranie pokrytym kryształami cyjanoplatynitu baru. Jest mało prawdopodobne, aby naukowiec mógł wtedy wyobrazić sobie, że jest u progu jednego z najważniejszych odkryć naukowych swoich czasów. W przyszłym roku o promieniach rentgenowskich powstanie ponad tysiąc publikacji, lekarze od razu wprowadzą wynalazek do użytku, dzięki niemu w przyszłości zostanie odkryta radioaktywność i pojawią się nowe kierunki nauki.

Roentgen poświęcił kilka następnych tygodni na zbadanie natury niezrozumiałego blasku i odkrył, że fluorescencja pojawiała się za każdym razem, gdy przykładał do lampy prąd. Źródłem promieniowania była lampa, a nie jakaś inna część obwodu elektrycznego. Nie wiedząc, z czym ma do czynienia, Roentgen postanowił nazwać to zjawisko promieniami rentgenowskimi, czyli promieniami rentgenowskimi. Ponadto Roentgen odkrył, że promieniowanie to może przenikać prawie wszystkie obiekty na różne głębokości, w zależności od grubości obiektu i gęstości substancji.

Tak więc mały ołowiany dysk między rurką wyładowczą a ekranem okazał się nieprzepuszczalny dla promieni rentgenowskich, a kości dłoni rzucały na ekran ciemniejszy cień, otoczony jaśniejszym cieniem tkanek miękkich. Wkrótce naukowiec dowiedział się, że promienie X powodują nie tylko poświatę ekranu pokrytego cyjanoplatynitem baru, ale także ciemnienie klisz fotograficznych (po wywołaniu) w tych miejscach, w których promienie X padały na emulsję fotograficzną.

W trakcie swoich eksperymentów Roentgen był przekonany, że odkrył promieniowanie nieznane nauce. 28 grudnia 1895 r. opisał wyniki badań w artykule „O nowym typie promieniowania” w czasopiśmie Annals of Physics and Chemistry. W tym samym czasie przesłał naukowcom zdjęcia ręki swojej żony Anny Berthy Ludwig, które później zasłynęły.

Dzięki staremu przyjacielowi Roentgena, austriackiemu fizykowi Franzowi Exnerowi, mieszkańcy Wiednia jako pierwsi zobaczyli te zdjęcia 5 stycznia 1896 r. na łamach gazety Die Presse. Już następnego dnia informacja o otwarciu została przekazana do gazety London Chronicle. Tak więc odkrycie rentgena stopniowo zaczęło wkraczać w codzienne życie ludzi. Praktyczne zastosowanie znaleziono niemal natychmiast: 20 stycznia 1896 r. w New Hampshire lekarze leczyli mężczyznę ze złamaną ręką nową metodą diagnostyczną - prześwietleniem.

Wczesne użycie promieni rentgenowskich

W ciągu kilku lat zdjęcia rentgenowskie zaczęły być aktywnie wykorzystywane do dokładniejszych operacji. Już 14 dni po ich otwarciu Friedrich Otto Valkhoff wykonał pierwsze prześwietlenie zębów. A potem, wraz z Fritzem Gieselem, założyli pierwsze na świecie stomatologiczne laboratorium rentgenowskie.

Do 1900 roku, 5 lat po jego odkryciu, wykorzystanie promieni rentgenowskich w diagnostyce uznano za integralną część praktyki medycznej.

Statystyki opracowane przez najstarszy szpital w Pensylwanii można uznać za wskaźnik rozpowszechnienia technologii opartych na promieniowaniu rentgenowskim. Według niej, w 1900 r. tylko około 1-2% pacjentów otrzymywało pomoc z prześwietleniem, podczas gdy w 1925 r. było już 25%.

Promieniowanie rentgenowskie było wówczas wykorzystywane w bardzo nietypowy sposób. Na przykład były wykorzystywane do świadczenia usług depilacji. Przez długi czas ta metoda była uważana za lepszą w porównaniu z bardziej bolesnymi - kleszczami lub woskiem. Ponadto promieniowanie rentgenowskie zostało wykorzystane w aparatach do dopasowania butów - przymierzanych fluoroskopach (pedoskopach). Były to aparaty rentgenowskie ze specjalnym wycięciem na stopy, a także okienka, przez które klient i sprzedawcy mogli ocenić, jak buty usiadły.

Wczesne zastosowanie obrazowania rentgenowskiego z perspektywy nowoczesnego bezpieczeństwa rodzi wiele pytań. Problem polegał na tym, że w momencie odkrycia promieni X praktycznie nic nie było wiadomo o promieniowaniu i jego skutkach, dlatego pionierzy, którzy zastosowali nowy wynalazek, we własnym doświadczeniu zmierzyli się z jego szkodliwymi skutkami. stała się zjawiskiem masowym na przełomie XIX i XX wieku, a ludzie zaczęli stopniowo uświadamiać sobie niebezpieczeństwa bezmyślnego używania promieni rentgenowskich.

Charakter promieni rentgenowskich

Promieniowanie rentgenowskie to promieniowanie elektromagnetyczne o energiach fotonów od ~100 eV do 250 keV, które mieści się w skali fal elektromagnetycznych pomiędzy promieniowaniem ultrafioletowym a promieniowaniem gamma. Jest to część naturalnego promieniowania, które występuje w radioizotopach, gdy atomy pierwiastków są wzbudzane przez strumień elektronów, cząstek alfa lub kwantów gamma, w którym elektrony są wyrzucane z powłok elektronowych atomu. Promieniowanie rentgenowskie występuje, gdy naładowane cząstki poruszają się z przyspieszeniem, w szczególności, gdy elektrony są wyhamowywane, w polu elektrycznym atomów substancji.

Rozróżnia się miękkie i twarde promienie rentgenowskie, których granica warunkowa na skali długości fali wynosi około 0,2 nm, co odpowiada energii fotonu około 6 keV. Promieniowanie rentgenowskie jest zarówno przenikające, ze względu na swoją krótką długość fali, jak i jonizujące, ponieważ przechodząc przez substancję oddziałuje z elektronami, wybijając je z atomów, tym samym rozbijając je na jony i elektrony i zmieniając strukturę substancji na które działa.

Promienie rentgenowskie powodują świecenie związku chemicznego zwanego fluorescencją. Napromieniowanie atomów próbki fotonami o wysokiej energii powoduje emisję elektronów - opuszczają one atom. W jednym lub więcej orbitali elektronowych powstają „dziury” - wakaty, dzięki którym atomy przechodzą w stan wzbudzony, to znaczy stają się niestabilne. Miliony sekundy później atomy wracają do stanu stabilnego, kiedy wakat na orbitalach wewnętrznych wypełniają się elektronami z orbitali zewnętrznych.

Przejściu temu towarzyszy emisja energii w postaci fotonu wtórnego, stąd powstaje fluorescencja.

Astronomia rentgenowska

Na Ziemi rzadko spotykamy promienie rentgenowskie, ale dość często można je znaleźć w kosmosie. Tam występuje naturalnie w wyniku aktywności wielu obiektów kosmicznych. Umożliwiło to astronomię rentgenowską. Energia fotonów rentgenowskich jest znacznie wyższa niż fotonów optycznych, dlatego w zakresie rentgenowskim emituje substancję nagrzaną do ekstremalnie wysokich temperatur.

Te kosmiczne źródła promieniowania rentgenowskiego nie są dla nas zauważalną częścią naturalnego promieniowania tła i dlatego w żaden sposób nie zagrażają ludziom. Jedynym wyjątkiem może być takie źródło twardego promieniowania elektromagnetycznego, jak wybuch supernowej, który miał miejsce wystarczająco blisko Układu Słonecznego.

Jak sztucznie stworzyć prześwietlenie?

Urządzenia rentgenowskie są nadal szeroko stosowane w nieniszczącej introskopii (zdjęcia rentgenowskie w medycynie, defektoskopia w technologii). Ich głównym elementem jest lampa rentgenowska, która składa się z katody i anody. Elektrody rurowe są podłączone do źródła wysokiego napięcia, zwykle dziesiątek lub nawet setek tysięcy woltów. Po podgrzaniu katoda emituje elektrony, które są przyspieszane przez wytworzone pole elektryczne między katodą a anodą.

Zderzając się z anodą, elektrony są spowalniane i tracą większość swojej energii. W tym przypadku pojawia się promieniowanie bremsstrahlung z zakresu rentgenowskiego, ale przeważająca część energii elektronów jest zamieniana na ciepło, więc anoda jest chłodzona.

Lampa rentgenowska o działaniu stałym lub pulsacyjnym jest nadal najbardziej rozpowszechnionym źródłem promieniowania rentgenowskiego, ale nie jest jedynym. Aby uzyskać impulsy promieniowania o dużej intensywności, stosuje się wyładowania wysokoprądowe, w których kanał plazmowy płynącego prądu jest kompresowany przez własne pole magnetyczne prądu - tzw.

Jeżeli wyładowanie następuje w ośrodku lekkich pierwiastków, na przykład w ośrodku wodorowym, to pełni ono rolę efektywnego akceleratora elektronów przez pole elektryczne powstające w samym wyładowaniu. To wyładowanie może znacznie przekroczyć pole generowane przez zewnętrzne źródło prądu. W ten sposób uzyskuje się impulsy twardego promieniowania rentgenowskiego o dużej energii generowanych kwantów (setek kiloelektronowoltów), które mają dużą moc przenikania.

Do uzyskania promieni rentgenowskich w szerokim zakresie spektralnym stosuje się akceleratory elektronów - synchrotrony. W nich promieniowanie powstaje wewnątrz pierścieniowej komory próżniowej, w której po kołowej orbicie porusza się wąsko skierowana wiązka wysokoenergetycznych elektronów, rozpędzona niemal do prędkości światła. Podczas rotacji, pod wpływem pola magnetycznego, lecące elektrony emitują wiązki fotonów stycznie do orbity w szerokim spektrum, których maksimum przypada na zakres promieniowania rentgenowskiego.

Jak wykrywane są promienie rentgenowskie

Przez długi czas do wykrywania i pomiaru promieniowania rentgenowskiego stosowano cienką warstwę luminoforu lub emulsji fotograficznej nakładanej na powierzchnię płytki szklanej lub przezroczystej folii polimerowej. Pierwsza z nich świeciła w zakresie optycznym widma pod działaniem promieniowania rentgenowskiego, natomiast optyczna przezroczystość powłoki zmieniała się w błonie pod wpływem reakcji chemicznej.

Obecnie do rejestracji promieniowania rentgenowskiego najczęściej stosuje się detektory elektroniczne - urządzenia generujące impuls elektryczny, gdy kwant promieniowania zostanie pochłonięty we czułej objętości detektora. Różnią się one zasadą przekształcania energii pochłoniętego promieniowania na sygnały elektryczne.

Detektory rentgenowskie z rejestracją elektroniczną można podzielić na jonizacyjne, których działanie opiera się na jonizacji substancji, oraz radioluminescencyjne, w tym scyntylacyjne, wykorzystujące luminescencję substancji pod działaniem promieniowania jonizującego. Detektory jonizacyjne z kolei dzielą się na gazowe i półprzewodnikowe, w zależności od medium detekcji.

Główne typy detektorów wypełnionych gazem to komory jonizacyjne, liczniki Geigera (liczniki Geigera-Mullera) i proporcjonalne liczniki wyładowań gazowych. Dostające się do środowiska pracy licznika kwanty promieniowania powodują jonizację gazu i przepływ prądu, który jest rejestrowany. W detektorze półprzewodnikowym pod wpływem kwantów promieniowania powstają pary elektron-dziura, które również umożliwiają przepływ prądu elektrycznego przez korpus detektora.

Głównym elementem liczników scyntylacyjnych w urządzeniu próżniowym jest fotopowielacz (PMT), który wykorzystuje efekt fotoelektryczny do konwersji promieniowania na strumień naładowanych cząstek oraz zjawisko wtórnej emisji elektronów do wzmocnienia prądu generowanych cząstek naładowanych. Fotopowielacz posiada fotokatodę oraz układ sekwencyjnych elektrod przyspieszających - dynod, pod wpływem których mnożą się przyśpieszone elektrony.

Mnożnik elektronów wtórnych to otwarte urządzenie próżniowe (działa tylko w warunkach próżni), w którym promieniowanie rentgenowskie na wejściu jest przekształcane w strumień elektronów pierwotnych, a następnie wzmacniane w wyniku wtórnej emisji elektronów w miarę ich propagacji w kanale powielacza.

Płytki mikrokanałowe, które są ogromną liczbą oddzielnych mikroskopijnych kanałów, które przenikają do detektora płytki, działają na tej samej zasadzie. Mogą dodatkowo zapewnić rozdzielczość przestrzenną i tworzenie obrazu optycznego przekroju strumienia padającego na detektor promieniowania rentgenowskiego poprzez bombardowanie wychodzącego strumienia elektronów z półprzezroczystego ekranu z osadzonym na nim luminoforem.

Rentgen w medycynie

Zdolność promieniowania rentgenowskiego do prześwietlania obiektów materialnych nie tylko daje ludziom możliwość tworzenia prostych promieni rentgenowskich, ale także otwiera możliwości dla bardziej zaawansowanych narzędzi diagnostycznych. Na przykład jest sercem tomografii komputerowej (CT).

Źródło i odbiornik promieni rentgenowskich obracają się wewnątrz pierścienia, w którym leży pacjent. Uzyskane dane o tym, jak tkanki ciała pochłaniają promieniowanie rentgenowskie, są rekonstruowane przez komputer na obraz 3D. Tomografia komputerowa jest szczególnie ważna w diagnostyce udaru i choć jest mniej dokładna niż rezonans magnetyczny mózgu, zajmuje znacznie mniej czasu.

Stosunkowo nowym kierunkiem, który obecnie rozwija się w mikrobiologii i medycynie, jest zastosowanie miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Przezroczystość żywego organizmu umożliwia uzyskanie obrazu naczyń krwionośnych, szczegółowe zbadanie budowy tkanek miękkich, a nawet przeprowadzenie badań mikrobiologicznych na poziomie komórkowym.

Mikroskop rentgenowski wykorzystujący promieniowanie z wyładowania typu pinch w plazmie ciężkich pierwiastków pozwala zobaczyć takie szczegóły budowy żywej komórki,których nie widać pod mikroskopem elektronowym nawet w specjalnie przygotowanej strukturze komórkowej.

Jeden z rodzajów radioterapii stosowanej w leczeniu nowotworów złośliwych wykorzystuje twarde promieniowanie rentgenowskie, co staje się możliwe dzięki działaniu jonizującemu, niszczącemu tkankę obiektu biologicznego. W tym przypadku jako źródło promieniowania wykorzystywany jest akcelerator elektronów.

Radiografia w technologii

Miękkie promienie rentgenowskie są wykorzystywane w badaniach mających na celu rozwiązanie problemu kontrolowanej fuzji termojądrowej. Aby rozpocząć proces, musisz wytworzyć falę uderzeniową odrzutu, napromieniowując mały cel deuterowy i trytowy miękkimi promieniami rentgenowskimi z wyładowania elektrycznego i natychmiast podgrzewając powłokę tego celu do stanu plazmy.

Fala ta kompresuje materiał docelowy do gęstości tysiące razy większej niż gęstość ciała stałego i podgrzewa go do temperatury termojądrowej. Uwolnienie energii termojądrowej następuje w krótkim czasie, podczas gdy gorąca plazma rozprasza się bezwładnością.

Zdolność do przeźroczystości umożliwia radiografia - technika obrazowania, która pozwala wyświetlić wewnętrzną strukturę nieprzezroczystego przedmiotu wykonanego np. z metalu. Nie da się naocznie stwierdzić, czy konstrukcje mostu zostały mocno zespawane, czy szew przy gazociągu jest hermetyczny i czy szyny są do siebie szczelne.

Dlatego w przemyśle promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do defektoskopii - monitorowania niezawodności głównych właściwości roboczych i parametrów obiektu lub jego poszczególnych elementów, co nie wymaga wyłączania obiektu z eksploatacji ani jego demontażu.

Spektrometria fluorescencji rentgenowskiej opiera się na efekcie fluorescencji - metody analitycznej służącej do określania stężeń pierwiastków od berylu do uranu w zakresie od 0,0001 do 100% w substancjach różnego pochodzenia.

Gdy próbka zostaje napromieniowana silnym strumieniem promieniowania z lampy rentgenowskiej, pojawia się charakterystyczne promieniowanie fluorescencyjne atomów, które jest proporcjonalne do ich stężenia w próbce. Obecnie praktycznie każdy mikroskop elektronowy umożliwia bezproblemowe określenie szczegółowego składu pierwiastkowego badanych mikroobiektów metodą rentgenowskiej analizy fluorescencyjnej.

Rentgenowskie w historii sztuki

Zdolność promieniowania rentgenowskiego do prześwitywania i tworzenia efektu fluorescencji jest również wykorzystywana do badania obrazów. To, co kryje się pod wierzchnią warstwą farby, może wiele powiedzieć o historii powstania płótna. Na przykład to w umiejętnej pracy z kilkoma warstwami farby obraz może być wyjątkowy w pracy artysty. Przy wyborze najodpowiedniejszych warunków przechowywania płótna ważne jest również uwzględnienie struktury warstw obrazu.

Do tego wszystkiego niezbędne jest promieniowanie rentgenowskie, które pozwala zajrzeć pod górne warstwy obrazu bez szkody dla niego.

Ważnym postępem w tym kierunku są nowe metody wyspecjalizowane w pracy z dziełami sztuki. Fluorescencja makroskopowa to wariant analizy fluorescencji rentgenowskiej, który dobrze nadaje się do wizualizacji struktury dystrybucji kluczowych pierwiastków, głównie metali, obecnych na obszarach o powierzchni około 0,5-1 metra kwadratowego lub więcej.

Z drugiej strony laminografia rentgenowska, odmiana rentgenowskiej tomografii komputerowej, która jest bardziej odpowiednia do badania płaskich powierzchni, wydaje się obiecująca dla uzyskania obrazów poszczególnych warstw obrazu. Metody te można również wykorzystać do badania składu chemicznego warstwy farby. Pozwala to na datowanie płótna, w tym w celu zidentyfikowania fałszerstwa.

Promienie rentgenowskie pozwalają poznać strukturę substancji

Krystalografia rentgenowska to kierunek naukowy związany z identyfikacją struktury materii na poziomie atomowym i molekularnym. Cechą charakterystyczną ciał krystalicznych jest wielokrotne uporządkowanie powtórzeń w strukturze przestrzennej tych samych elementów (komórek), składających się z pewnego zestawu atomów, cząsteczek lub jonów.

Główna metoda badawcza polega na ekspozycji próbki krystalicznej na wąską wiązkę promieni rentgenowskich za pomocą kamery rentgenowskiej. Powstała fotografia przedstawia obraz dyfrakcyjnych promieni rentgenowskich przechodzących przez kryształ, z którego naukowcy mogą następnie wizualnie przedstawić jego strukturę przestrzenną, zwaną siecią krystaliczną. Różne sposoby implementacji tej metody nazywane są rentgenowską analizą strukturalną.

Rentgenowska analiza strukturalna substancji krystalicznych składa się z dwóch etapów:

1. Określenie wielkości komórki elementarnej kryształu, liczby cząstek (atomów, cząsteczek) w komórce elementarnej oraz symetrii układu cząstek. Dane te uzyskuje się poprzez analizę geometrii położenia maksimów dyfrakcyjnych.
2. Obliczanie gęstości elektronowej wewnątrz komórki elementarnej i wyznaczanie współrzędnych atomowych identyfikowanych z położeniem maksimów gęstości elektronowej. Dane te uzyskuje się analizując intensywność maksimów dyfrakcyjnych.

Niektórzy biolodzy molekularni przewidują, że w obrazowaniu największych i najbardziej złożonych cząsteczek krystalografia rentgenowska może zostać zastąpiona nową techniką zwaną kriogeniczną mikroskopią elektronową.

Jednym z najnowszych narzędzi w analizie chemicznej był skaner filmów Hendersona, którego używał w swojej pionierskiej pracy w kriogenicznej mikroskopii elektronowej. Jednak ta metoda jest nadal dość kosztowna i dlatego jest mało prawdopodobne, aby w najbliższej przyszłości całkowicie zastąpiła krystalografię rentgenowską.

Stosunkowo nowym obszarem zastosowań badawczych i technicznych związanych z wykorzystaniem promieni rentgenowskich jest mikroskopia rentgenowska. Przeznaczony jest do uzyskania powiększonego obrazu badanego obiektu w przestrzeni rzeczywistej w dwóch lub trzech wymiarach za pomocą optyki skupiającej.

Granica dyfrakcyjna rozdzielczości przestrzennej w mikroskopii rentgenowskiej ze względu na małą długość fali stosowanego promieniowania jest około 1000 razy lepsza niż odpowiednia wartość dla mikroskopu optycznego. Ponadto penetrująca moc promieniowania rentgenowskiego umożliwia badanie struktury wewnętrznej próbek całkowicie nieprzezroczystych dla światła widzialnego.

I choć mikroskopia elektronowa ma tę zaletę, że ma nieco wyższą rozdzielczość przestrzenną, to nie jest nieniszczącą metodą badań, ponieważ wymaga próżni i próbek o powierzchniach metalicznych lub metalizowanych, co jest całkowicie niszczące np. dla obiektów biologicznych.