Vad vet vi om röntgen?

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

På 1800-talet verkade strålning som var osynlig för det mänskliga ögat, som kunde passera genom kött och andra material, som något helt fantastiskt. Nu används röntgen i stor utsträckning för att skapa medicinska bilder, utföra strålbehandling, analysera konstverk och lösa kärnenergiproblem.

Hur röntgenstrålning upptäcktes och hur den hjälper människor - får vi reda på tillsammans med fysikern Alexander Nikolaevich Dolgov.

Upptäckten av röntgenstrålar

Från slutet av 1800-talet började vetenskapen spela en i grunden ny roll för att forma bilden av världen. För ett sekel sedan var forskarnas verksamhet av amatör och privat karaktär. Men i slutet av 1700-talet, som ett resultat av den vetenskapliga och tekniska revolutionen, förvandlades vetenskapen till en systematisk aktivitet där varje upptäckt blev möjlig tack vare bidraget från många specialister.

Forskningsinstitut, periodiska vetenskapliga tidskrifter började dyka upp, konkurrens och kamp uppstod för erkännande av upphovsrätt för vetenskapliga landvinningar och tekniska innovationer. Alla dessa processer ägde rum i det tyska imperiet, där Kaiser i slutet av 1800-talet uppmuntrade vetenskapliga landvinningar som ökade landets prestige på världsscenen.

En av forskarna som arbetade med entusiasm under denna period var professorn i fysik, rektor vid universitetet i Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. Den 8 november 1895 stannade han sent i laboratoriet, som ofta hänt, och bestämde sig för att genomföra en experimentell studie av den elektriska urladdningen i glasvakuumrör. Han förmörkade rummet och slog in ett av rören i ogenomskinligt svart papper för att göra det lättare att observera de optiska fenomen som åtföljer urladdningen. Till min förvåning

Roentgen såg ett fluorescensband på en närliggande skärm täckt med bariumcyanoplatinitkristaller. Det är osannolikt att en vetenskapsman då skulle kunna föreställa sig att han stod på gränsen till en av sin tids viktigaste vetenskapliga upptäckter. Nästa år kommer över tusen publikationer att skrivas om röntgenstrålar, läkare kommer omedelbart att ta uppfinningen i bruk, tack vare den kommer radioaktivitet att upptäckas i framtiden och nya vetenskapsriktningar kommer att dyka upp.

Roentgen ägnade de närmaste veckorna åt att undersöka arten av den obegripliga glöden och fann att fluorescens uppträdde när han applicerade ström på röret. Röret var källan till strålningen, inte någon annan del av den elektriska kretsen. Utan att veta vad han stod inför bestämde sig Roentgen för att beteckna detta fenomen som röntgenstrålar eller röntgenstrålar. Vidare upptäckte Roentgen att denna strålning kan penetrera nästan alla föremål till olika djup, beroende på föremålets tjocklek och ämnets densitet.

Således visade sig en liten blyskiva mellan urladdningsröret och skärmen vara ogenomtränglig för röntgenstrålar, och handens ben kastade en mörkare skugga på skärmen, omgiven av en ljusare skugga från mjuka vävnader. Snart upptäckte forskaren att röntgenstrålar inte bara orsakar glöden på skärmen täckt med bariumcyanoplatinit, utan också mörkningen av fotografiska plattor (efter framkallning) på de platser där röntgenstrålningen föll på den fotografiska emulsionen.

Under loppet av sina experiment var Roentgen övertygad om att han hade upptäckt strålning okänd för vetenskapen. Den 28 december 1895 rapporterade han om forskningsresultaten i en artikel "Om en ny typ av strålning" i tidskriften Annals of Physics and Chemistry. Samtidigt skickade han till forskare bilderna på sin fru Anna Bertha Ludwigs hand, som senare blev känd.

Tack vare Roentgens gamla vän, den österrikiske fysikern Franz Exner, var invånarna i Wien de första att se dessa bilder den 5 januari 1896 på sidorna i tidningen Die Presse. Redan nästa dag skickades information om öppningen till tidningen London Chronicle. Så upptäckten av Roentgen började gradvis komma in i människors dagliga liv. Praktisk tillämpning hittades nästan omedelbart: den 20 januari 1896, i New Hampshire, behandlade läkare en man med en bruten arm med en ny diagnostisk metod - en röntgen.

Tidig användning av röntgenstrålar

Under loppet av flera år har röntgenbilder börjat användas aktivt för mer exakta operationer. Redan 14 dagar efter öppningen tog Friedrich Otto Valkhoff den första tandröntgen. Och efter det grundade de tillsammans med Fritz Giesel världens första tandröntgenlaboratorium.

År 1900, 5 år efter upptäckten, ansågs användningen av röntgenstrålar i diagnostik vara en integrerad del av medicinsk praxis.

Statistiken som sammanställts av det äldsta sjukhuset i Pennsylvania kan anses vara en indikation på spridningen av teknologier baserade på röntgenstrålning. Enligt henne fick endast cirka 1-2% av patienterna 1900 hjälp med röntgen, medan det redan 1925 fanns 25%.

Röntgenstrålar användes på ett mycket ovanligt sätt på den tiden. Till exempel användes de för att tillhandahålla hårborttagningstjänster. Under lång tid ansågs denna metod vara att föredra i jämförelse med de mer smärtsamma - pincett eller vax. Dessutom har röntgenstrålar använts i skomonteringsapparater - prova-på-fluoroskop (pedoskop). Det var röntgenapparater med en speciell skåra för fötterna samt fönster genom vilka kunden och säljarna kunde utvärdera hur skorna satt.

Den tidiga användningen av röntgenbilder ur ett modernt säkerhetsperspektiv väcker många frågor. Problemet var att vid tiden för upptäckten av röntgenstrålning var praktiskt taget ingenting känt om strålning och dess konsekvenser, varför pionjärerna som använde den nya uppfinningen mötte dess skadliga effekter av egen erfarenhet. De negativa konsekvenserna av ökad exponering blev ett massfenomen vid sekelskiftet 1800. XX århundraden, och människor började gradvis komma till insikten om farorna med tankelös användning av röntgenstrålar.

Röntgenstrålningens natur

Röntgenstrålning är elektromagnetisk strålning med fotonenergier från ~100 eV till 250 keV, som ligger på skalan av elektromagnetiska vågor mellan ultraviolett strålning och gammastrålning. Det är en del av den naturliga strålningen som uppstår i radioisotoper när grundämnenas atomer exciteras av en ström av elektroner, alfapartiklar eller gammakvanta, där elektroner stöts ut från atomens elektronskal. Röntgenstrålning uppstår när laddade partiklar rör sig med acceleration, i synnerhet när elektroner bromsas in, i det elektriska fältet hos atomer i ett ämne.

Mjuka och hårda röntgenstrålar urskiljs, den villkorliga gränsen mellan vilka på våglängdsskalan är cirka 0,2 nm, vilket motsvarar en fotonenergi på cirka 6 keV. Röntgenstrålning är både penetrerande, på grund av sin korta våglängd, och joniserande, eftersom den när den passerar genom ett ämne interagerar med elektroner, slår ut dem ur atomer, och bryter dem därigenom till joner och elektroner och ändrar ämnets struktur på som den verkar.

Röntgenstrålar gör att en kemisk förening som kallas fluorescens lyser. Bestrålning av atomerna i provet med högenergifotoner orsakar emission av elektroner - de lämnar atomen. I en eller flera elektronorbitaler bildas "hål" - vakanser, på grund av vilka atomerna går in i ett exciterat tillstånd, det vill säga de blir instabila. Miljondelar av en sekund senare återgår atomerna till ett stabilt tillstånd, när vakanserna i de inre orbitalen fylls med elektroner från de yttre orbitalen.

Denna övergång åtföljs av emission av energi i form av en sekundär foton, varför fluorescens uppstår.

Röntgenastronomi

På jorden möter vi sällan röntgenstrålar, men det finns ganska ofta i rymden. Där uppstår det naturligt på grund av aktiviteten hos många rymdobjekt. Detta gjorde röntgenastronomi möjlig. Energin hos röntgenfotoner är mycket högre än optiska, därför avger den i röntgenområdet ett ämne som värms upp till extremt höga temperaturer.

Dessa kosmiska källor till röntgenstrålning är inte en märkbar del av den naturliga bakgrundsstrålningen för oss och hotar därför inte människor på något sätt. Det enda undantaget kan vara en sådan källa till hård elektromagnetisk strålning som en supernovaexplosion, som inträffade tillräckligt nära solsystemet.

Hur skapar man röntgenstrålar på konstgjord väg?

Röntgenapparater används fortfarande i stor utsträckning för oförstörande introskopi (röntgenbilder inom medicin, feldetektering inom teknik). Deras huvudkomponent är ett röntgenrör, som består av en katod och en anod. Rörelektroderna är anslutna till en högspänningskälla, vanligtvis tiotals eller till och med hundratusentals volt. Vid uppvärmning avger katoden elektroner, som accelereras av det genererade elektriska fältet mellan katoden och anoden.

När elektronerna kolliderar med anoden bromsas de ned och förlorar det mesta av sin energi. I detta fall uppträder bremsstrahlung-strålning av röntgenområdet, men den övervägande delen av elektronenergin omvandlas till värme, så anoden kyls.

Röntgenröret med konstant eller pulsad verkan är fortfarande den mest utbredda källan till röntgenstrålning, men det är långt ifrån den enda. För att erhålla högintensiva strålningspulser används högströmsurladdningar, där plasmakanalen för den strömmande strömmen komprimeras av sitt eget magnetiska fält av strömmen - den så kallade nypningen.

Om urladdningen sker i ett medium av lätta element, till exempel i ett vätemedium, spelar den rollen som en effektiv accelerator av elektroner genom det elektriska fältet som uppstår i själva urladdningen. Denna urladdning kan avsevärt överstiga fältet som genereras av en extern strömkälla. På detta sätt erhålls pulser av hård röntgenstrålning med hög energi av genererade kvanter (hundratals kiloelektronvolt), som har en hög penetrerande effekt.

För att få röntgenstrålar i ett brett spektralområde används elektronacceleratorer - synkrotroner. I dem bildas strålning inuti en ringformig vakuumkammare, i vilken en smalt riktad stråle av högenergielektroner, accelererad nästan till ljusets hastighet, rör sig i en cirkulär bana. Under rotation, under påverkan av ett magnetiskt fält, avger flygande elektroner strålar av fotoner tangentiellt till omloppsbanan i ett brett spektrum, vars maximum faller på röntgenområdet.

Hur röntgenstrålar upptäcks

Under lång tid användes ett tunt skikt av fosfor eller fotografisk emulsion på ytan av en glasplatta eller transparent polymerfilm för att detektera och mäta röntgenstrålning. Den första lyste i det optiska området av spektrumet under inverkan av röntgenstrålning, medan den optiska transparensen hos beläggningen förändrades i filmen under inverkan av en kemisk reaktion.

För närvarande används elektroniska detektorer oftast för att registrera röntgenstrålning - enheter som genererar en elektrisk puls när ett kvantum av strålning absorberas i detektorns känsliga volym. De skiljer sig åt i principen att omvandla energin från den absorberade strålningen till elektriska signaler.

Röntgendetektorer med elektronisk registrering kan delas in i jonisering, vars verkan är baserad på jonisering av ett ämne, och radioluminiscerande, inklusive scintillation, med användning av luminiscens av ett ämne under inverkan av joniserande strålning. Joniseringsdetektorer är i sin tur uppdelade i gasfyllda och halvledare, beroende på detektionsmediet.

De huvudsakliga typerna av gasfyllda detektorer är joniseringskammare, Geigerräknare (Geiger-Mullerräknare) och proportionella gasurladdningsräknare. Strålningskvanter som kommer in i räknarens arbetsmiljö orsakar jonisering av gasen och strömflödet, som registreras. I en halvledardetektor bildas elektron-hålpar under inverkan av strålningskvanter, vilket också gör det möjligt för en elektrisk ström att flyta genom detektorkroppen.

Huvudkomponenten i scintillationsräknare i en vakuumanordning är ett fotomultiplikatorrör (PMT), som använder den fotoelektriska effekten för att omvandla strålning till en ström av laddade partiklar och fenomenet sekundär elektronemission för att förbättra strömmen hos de genererade laddade partiklarna. Fotomultiplikatorn har en fotokatod och ett system av sekventiella accelererande elektroder - dynoder, vid sammanstötning som accelererade elektroner förökar sig.

Sekundär elektronmultiplikator är en öppen vakuumanordning (fungerar endast under vakuumförhållanden), där röntgenstrålning vid ingången omvandlas till en ström av primära elektroner och sedan förstärks på grund av den sekundära emissionen av elektroner när de utbreder sig i multiplikatorkanalen.

Mikrokanalplattor, som är ett stort antal separata mikroskopiska kanaler som penetrerar plattdetektorn, fungerar enligt samma princip. De kan dessutom ge rumslig upplösning och bildandet av en optisk bild av tvärsnittet av flödet som infaller på detektorn för röntgenstrålning genom att bombardera det utgående elektronflödet från en halvtransparent skärm med en fosfor avsatt på den.

Röntgen i medicin

Röntgenstrålningens förmåga att lysa igenom materiella föremål ger inte bara människor möjligheten att skapa enkla röntgenstrålar, utan öppnar också möjligheter för mer avancerade diagnostiska verktyg. Det är till exempel kärnan i datortomografi (CT).

Röntgenkällan och mottagaren roterar inuti ringen där patienten ligger. De erhållna uppgifterna om hur kroppens vävnader absorberar röntgenstrålar rekonstrueras av en dator till en 3D-bild. CT är särskilt viktigt för att diagnostisera stroke, och även om det är mindre exakt än magnetisk resonanstomografi av hjärnan, tar det mycket kortare tid.

En relativt ny riktning, som nu utvecklas inom mikrobiologi och medicin, är användningen av mjuk röntgenstrålning. När en levande organism är genomskinlig, gör det det möjligt att få en bild av blodkärl, att i detalj studera strukturen av mjuka vävnader och till och med utföra mikrobiologiska studier på cellnivå.

Ett röntgenmikroskop som använder strålning från en nypliknande urladdning i plasman av tunga grundämnen gör det möjligt att se sådana detaljer om strukturen hos en levande cell,som inte kan ses av ett elektronmikroskop ens i en speciellt förberedd cellstruktur.

En av de typer av strålbehandling som används för att behandla maligna tumörer använder hårda röntgenstrålar, vilket blir möjligt på grund av dess joniserande effekt, som förstör vävnaden i ett biologiskt föremål. I detta fall används en elektronaccelerator som strålningskälla.

Röntgen i teknik

Mjuka röntgenstrålar används i forskning som syftar till att lösa problemet med kontrollerad termonukleär fusion. För att starta processen måste du skapa en rekylchockvåg genom att bestråla ett litet deuterium- och tritiummål med mjuka röntgenstrålar från en elektrisk urladdning och omedelbart värma upp skalet på detta mål till ett plasmatillstånd.

Denna våg komprimerar målmaterialet till en densitet som är tusentals gånger högre än densiteten hos ett fast ämne och värmer upp det till en termonukleär temperatur. Frigörandet av termonukleär fusionsenergi sker på kort tid, medan den heta plasman sprids genom tröghet.

Förmågan att genomskinlig möjliggör radiografi - en avbildningsteknik som låter dig visa den inre strukturen av ett ogenomskinligt föremål av metall, till exempel. Det är omöjligt att med ögat avgöra om brokonstruktionerna är ordentligt svetsade, om skarven vid gasledningen är lufttät och om rälsen passar tätt mot varandra.

Därför används röntgen i branschen för feldetektering - övervakning av tillförlitligheten hos de viktigaste arbetsegenskaperna och parametrarna för ett objekt eller dess individuella element, vilket inte kräver att objektet tas ur bruk eller demonteras.

Röntgenfluorescensspektrometri är baserad på effekten av fluorescens - en analysmetod som används för att bestämma koncentrationerna av grundämnen från beryllium till uran i intervallet från 0,0001 till 100 % i ämnen av olika ursprung.

När ett prov bestrålas med ett kraftigt flöde av strålning från ett röntgenrör uppstår karakteristisk fluorescerande strålning av atomer, som är proportionell mot deras koncentration i provet. För närvarande gör praktiskt taget varje elektronmikroskop det möjligt att utan svårighet bestämma den detaljerade elementära sammansättningen av de studerade mikroobjekten med metoden för röntgenfluorescensanalys.

Röntgen i konsthistorien

Röntgenstrålningens förmåga att lysa igenom och skapa en fluorescenseffekt används också för att studera målningar. Det som döljer sig under det översta färgskiktet kan berätta mycket om historien kring skapandet av duken. Det är till exempel i det skickliga arbetet med flera lager färg som en bild kan konstateras vara unik i en konstnärs verk. Det är också viktigt att ta hänsyn till strukturen i målningens lager när man väljer de lämpligaste lagringsförhållandena för duken.

För allt detta är röntgenstrålning oumbärlig, så att du kan titta under de övre lagren av bilden utan att skada den.

Viktiga utvecklingar i denna riktning är nya metoder specialiserade för att arbeta med konstverk. Makroskopisk fluorescens är en variant av röntgenfluorescensanalys som är väl lämpad för att visualisera fördelningsstrukturen för nyckelelement, främst metaller, som finns i områden på cirka 0,5-1 kvadratmeter eller mer.

Å andra sidan verkar röntgenlaminografi, en variant av datorröntgentomografi, som är mer lämpad för att studera plana ytor, lovande för att få bilder av enskilda lager av en bild. Dessa metoder kan också användas för att studera färgskiktets kemiska sammansättning. Detta gör att duken kan dateras, inklusive för att identifiera en förfalskning.

Röntgenstrålar låter dig ta reda på strukturen av ett ämne

Röntgenkristallografi är en vetenskaplig riktning förknippad med identifieringen av materiens struktur på atom- och molekylnivå. Ett utmärkande drag för kristallina kroppar är en multipelordnad upprepning i den rumsliga strukturen av samma element (celler), bestående av en viss uppsättning atomer, molekyler eller joner.

Den huvudsakliga forskningsmetoden består i att exponera ett kristallint prov för en smal stråle av röntgenstrålar med hjälp av en röntgenkamera. Det resulterande fotografiet visar en bild av diffrakterade röntgenstrålar som passerar genom kristallen, från vilken forskare sedan visuellt kan visa dess rumsliga struktur, kallat kristallgittret. Olika sätt att implementera denna metod kallas röntgenstrukturanalys.

Röntgenstrukturanalys av kristallina ämnen består av två steg:

1. Bestämning av storleken på kristallens enhetscell, antalet partiklar (atomer, molekyler) i enhetscellen och symmetrin hos partiklarnas arrangemang. Dessa data erhålls genom att analysera geometrin för platsen för diffraktionsmaxima.
2. Beräkning av elektrontätheten inuti enhetscellen och bestämning av atomkoordinaterna, som identifieras med positionen för elektrondensitetsmaxima. Dessa data erhålls genom att analysera intensiteten av diffraktionsmaxima.

Vissa molekylärbiologer förutspår att vid avbildning av de största och mest komplexa molekylerna kan röntgenkristallografi ersättas av en ny teknik som kallas kryogen elektronmikroskopi.

Ett av de nyaste verktygen inom kemisk analys var Hendersons filmskanner, som han använde i sitt banbrytande arbete inom kryogen elektronmikroskopi. Denna metod är dock fortfarande ganska dyr och kommer därför sannolikt inte att helt ersätta röntgenkristallografi inom en snar framtid.

Ett relativt nytt område av forskning och tekniska tillämpningar i samband med användningen av röntgenstrålar är röntgenmikroskopi. Den är utformad för att erhålla en förstorad bild av objektet som studeras i verkliga rymden i två eller tre dimensioner med hjälp av fokuseringsoptik.

Diffraktionsgränsen för rumslig upplösning i röntgenmikroskopi på grund av den lilla våglängden hos den använda strålningen är cirka 1000 gånger bättre än motsvarande värde för ett optiskt mikroskop. Dessutom gör den genomträngande kraften hos röntgenstrålning det möjligt att studera den inre strukturen hos prover som är helt ogenomskinliga för synligt ljus.

Och även om elektronmikroskopi har fördelen av en något högre rumslig upplösning är det inte en oförstörande undersökningsmetod, eftersom den kräver ett vakuum och prover med metalliska eller metalliserade ytor, vilket är helt destruktivt för till exempel biologiska föremål.