Контрольная работа по "Физике"

  = h = ,  где - частота, - длина волны,  h = 6,62.10^-34 Дж с – постоянная Планка, с =  3 10^-8 м/с - скорость света в вакууме.

Короткие  волны и большая частота и  обусловили высокую энергию рентгновских фотонов и замечательные свойства рентгеновского излучения.

Рентгеновская трубка.

Рёнтген сделал своё великое открытие, обратив внимание на ремарку в статье другого немецкого  учёного Филиппа Ленарда.  Ленард прославился исследованием катодных лучей – потока электронов. Быстрые  электроны, ударяясь об экран, покрытый некоторыми веществами, вызывают его  свечение – флюоресценцию. Ленардом была также замечена флюоресценция  экрана находящегося не на пути катодных лучей, а сбоку. Он отметил это, но не придал значения.  Что не помешало потом Ленарду оспаривать у Рёнтгена открытие Х-лучей ( так назвал открытое и изученное им излучение исключительно  порядочный и скромный Вильхэльм  Конрад Рёнтген). Кстати, Рёнтген потом  всю жизнь протестовал против названия «рентгеновское излучение», «рентгеновский аппарат», «рентгеновская трубка» и, если они встречались  ему в учебниках и справочниках с раздражением их вычёркивал. Рёнтген  отказался принять вознаграждение за своё великое открытие, отказался  и от дворянского звания. Он сразу  понял огромное значение  его  открытия, прежде всего, для медицины и считал, что он этим уже вполне  вознаграждён.

На рисунке 2.1 представлена схема простейшей рентгеновской  трубки

Рис.2.1

На катод  рентгеновской трубки подаётся небольшое  напряжение накала U_н = 6-10В.  Из спирали катода К, разогреваемого электрическим током вылетают электроны. Явление испускания электронов поверхностью нагретого металла называется термоэлектронной эмиссией. Под действием сильного электрического поля, созданного большим напряжение между анодом и катодом U_АК = 10-100кВ, электроны устремляются к аноду А, набирая при этом большую скорость. Естественно, в рентгеновской трубке создаётся вакуум – 10^-6 – 10^-7 мм. рт. ст., чтобы атомы воздуха не мешали полёту электронов. Ударяясь об зеркальце анода З, электроны вызывают коротковолновое электромагнитное излучение – рентгеновское излучение. Зеркальце анода изготавливается из тугоплавких металлов , например, вольфрама, платины. Поверхность анода делается скошенной, чтобы направить рентгеновское излучение перпендикулярно оси трубки.

Свойства:

1. Невидимы (в конце позапрошлого века это свойство казалось удивительным, но другие свойства рентгеновских лучей оказались ещё удивительнее).
2. Высокая проникающая способность  (они насквозь «просвечивают» человеческое тело).
3. Разное ослабление в разных средах (например, в мягких тканях рентгеновские лучи ослабляются слабее, чем в костных, что в своё время позволило Рёнтгену сделать первый в мире рентгеновский  снимок внутреннего строения кисти своей руки и руки своей жены).
4. Вызывают флюоресценцию некоторых веществ – их свечение под действием рентгеновского излучения.
5. Оказывают фотохимическое действие – почернение фотоплёнок.
6. Оказывают ионизирующее действие.
7. Отличаются сильным биологическим действием.

 

Применение:

1. Рентгенодиагностика:

А. Рентгеноскопия. (Использует 1), 2) и 3) свойства рентгеновского излучения). Получение теневых изображений  внутренних органов на флюоресцирующем  экране рентгеновского аппарата.

Б. Рентгенография ((Использует 1), 2) и 4) свойства). Получение  теневых изображений внутренних органов на фотоплёнке.

В. Флюорография. То же, что и рентгеноскопия, но вместо глаза врача информация с экрана поступает в фотоаппарат. А врач потом уже изучает фотоснимок изображения на экране  рентгеновского аппарата. Это позволяет резко  уменьшить время облучения  и  пациента и врача. В отличие от  рентгенографии при этом можно обойтись совсем маленьким кусочком плёнки. Рентгеновские лучи не фокусируются, для рентгенографии требуется плёнка размером с объект исследования. Использование  флюорографии позволило в своё время  организовать массовое профилактическое обследование населения и прекратить распространение туберкулёза в  Советском Союзе.

Г.  Рентгеновская  компьютерная томография. В современных  рентгеновских аппаратах  в качестве датчика рентгеновского излучения  используются фотоэлементы  ФЭ (5 свойство рентгеновских лучей). И в рентгеновских  томографах ФЭ располагаются по окружности вокруг исследуемого органа.  Томография (от греческого слова «томос» - ломоть, срез) позволяет получить изображения  внутреннего строения исследуемого объекта в разрезе. Для этого  узкий, плоский пучок  рентгеновского излучения просвечивает объект с  разных сторон от делающей вокруг него полный оборот рентгеновской трубки Т. При этом на  фотоэлементах  получаются теневые изображения  внутренней структуры объекта в  разных проекциях. Эта информация, преобразованная  при помощи фотоэлементов в электрические  сигналы, поступает в компьютер. Компьютер, обработав её,  строит на дисплее изображения в разрезе. По одной проекции это было бы сделать  невозможно, поскольку тени одних  деталей внутренней структуры накладывались  бы на другие. Чтобы «рассмотреть»  все детали внутреннего строения объекта, надо просветить объект с разных сторон. Если получить изображения  ряда, расположенных один над другим разрезов, можно получить представление  об объёмной структуре объекта.

2. Рентгенотерапия.

                Применяется в онкологии. Используется 6 свойство рентгеновского излучения  - сильное биологическое действие. Рентгеновские лучи особенно  большое действие оказывают на  молодые, растущие ткани, в  том числе, на новообразования.

Но, с другой стороны, именно поэтому следует  воздерживаться от рентгеновских обследований детей и беременных женщин. Если возможно, следует ограничиться УЗИ  – безвредным соперником рентгена.

3. Научные исследования.

А. Рентгеновская  спектроскопия (см. 2.6)

Б. Рентгеноструктурный  анализ (см. 2.7)

ТОРМОЗНОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ  ИЗЛУЧЕНИЕ, ЕГО СПЕКТР, КОРОТКОВОЛНОВАЯ  ГРАНИЦА СПЕКТРА (ВЫВОД). ЖЕСТКОСТЬ  И МОЩНОСТЬ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ИХ РЕГУЛИРОВКА.

Существует  два типа рентгеновского изучения - тормозное и характеристическое. Тормозное  рентгеновское излучение  возникает при резком торможении электронов, разогнанных до больших  скоростей.  В рентгеновской трубке ( рис. 2.1 )  электроны  разгоняются  напряжением между анодом и катодом U_АК .  Работа электрического поля по разгону электрона   А = еU_АК , е = 1,6 10^-19 Кл – заряд электрона. Электрон приобретает кинетическую энергию, которая при ударе о зеркальце анода З  и идёт на создание  рентгеновских фотонов. Но не все электроны, ударившись об анод, порождают фотоны. И не вся энергия электрона, породившего рентгеновский фотон, переходит фотону. Большая часть энергии электронов идёт на нагревание анода. Коэффициент полезного действия рентгеновской трубки 2-3%. Поэтому-то и зеркальце анода делается из тугоплавких металлов, а сам анод достаточно массивным, а в мощных рентгеновских трубках он ещё и снабжается специальным охлаждением.

Энергия  рентгеновского фотона:

    = меньше или равна энергии, приобретённого электроном при его разгоне электрическим полем между анодом и катодом еU_АК :   еU_АК

Поэтому

  _min =                                 (2.1)

 

  здесь длина волны измеряется в нанометрах, а напряжение в киловольтах.

          _min    называется коротковолновой границей тормозного рентгеновского излучения

Спектр тормозного рентгеновского излучения

На рис. 2.3 а и 2.3 б показаны спектры тормозного рентгеновского излучения.

рис. 2.3

- спектральная плотность  потока рентгеновского излучения  - энергия, излучённая за единицу  времени  рентгеновской трубкой  в узком интервале длин волн  , делённая на ширину этого интервала .

Видно, что:

1) Спектр  тормозного рентгеновского излучения  сплошной, на всех длинах волн  от  _min    до .

2) Есть  _m , при которой Ф максимальна. _{m min}  .

3) При   повышении напряжения U_АК  коротковолновая граница _min  сдвигается в сторону более коротких волн.

4) При повышении  напряжения U_АК увеличивается площадь под кривой спектра, которая равна полному потоку рентгеновского излучения - энергии, излучённой за единицу времени на всём интервале длин волн.

 

Жёсткость и  мощность рентгеновского излучения

 

А. Жёсткость  рентгеновского излучения - определяет его проникающую способность  и биологическое действие. Жёсткость  зависит от энергии  рентгеновского фотона  =, следовательно от длины волны , которая определяется напряжением между анодом  катодом рентгеновской трубки

                        _min =                                

Чем больше напряжение U_АК, тем короче длина волны _min, тем больше жёсткость рентгеновского излучения.

 

Б. Мощность рентгеновского излучения или поток  - Ф – энергия, излучаемая рентгеновской  трубкой за единицу времени вычисляется  по формуле

 

    ,     (2.2)

 

I – сила  тока через рентгеновскую трубку, U_AK – напряжение между анодом и катодом, z – порядковый номер в таблице Менделеева элемента зеркальца анода, k = 10^-9 В^-1 – коэффициент пропорциональности .

Таким образом, мощность излучения рентгеновской  трубки Ф можно повысить тремя  способами: увеличив U_АК , I, или z. Последний способ повышения Ф применяется при изготовлении трубки. А пользователям приходится подбирать оптимальные значения напряжения и силы тока. Причём в некоторых случаях регулирование мощности изменением силы тока через трубку при постоянном напряжении между анодом и катодом предпочтительнее. При этом остаётся постоянной жёсткость и не увеличивается опасность лучевого поражения. Силу тока при постоянном U_АК можно увеличить, повышая температуру накала катода трубки, увеличивая этим количество электронов, вылетевших с катода в единицу времени. А этого можно достигнуть повышая напряжение накала накала катода U_н ( рис.2.3 б)

 

ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ  РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ЕГО ПОЛУЧЕНИЕ. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ  СПЕКТРОСКОПИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ АНАЛИЗА  ВЕЩЕСТВА.

Характеристическое  рентгеновское изучение возникает, когда электроны переходят с  внешних  электронных слоёв на внутренние ( рис. 2.4 а).  Свободное  место на внутренних электронных  слоях создаётся, когда электроны  с этих внутренних слоёв выбиваются либо другими быстрыми электронами, либо радиоактивным излучением, либо захватываются ядром при некоторых  ядерных превращениях.

Характеристическое  излучение на фоне тормозного возникает  при больших напряжениях между  анодом и катодом  рентгеновской  трубки. Электроны приобретают при  этом большую энергию, проникают  вглубь атомов   зеркальца анода  и выбивают электроны из внутренних электронных слоёв. Это можно  обнаружить по появлению на спектре  тормозного излучения  пиков, соответствующих  характеристическому изучению (рис 2.4 б).

 

Рис. 2.4. Характеристическое рентгеновское  излучение (объяснения в тексте).

Спектр характеристического  рентгеновского изучения в отличие  от спектра тормозного рентгеновского излучения линейчатый (рис. 2.4 в).  Линии собраны в серии, соответствующие  тем электронным слоям, на которые  переходят с верхних слоёв  электроны, излучающие рентгеновские  фотоны: K, L, M и т. д. Длины волн и, соответственно, частоты  спектра характеристического  излучения связаны с порядковым номером элемента z законом Мозли (1913 год).

 

 

                                                                                                                    (2.3)

ν- частота, λ  - длина волны, соответствующие определённой линии данной серии, А и В –  константы, определяемые спектральной серией и номером спектральной линии  в серии, одинаковые для всех элементов. Закон Мозли снабдил химиков  однозначным способом измерения  порядкового номера элемента. Полученные данные подтвердили открытый за полвека  до этого периодический закон  Д.И.Менделеева. Характеристическая рентгеновская  спектроскопия – великолепный метод  качественного химического анализа. Она даёт ответ на вопрос – какие  элементы содержит исследуемый образец? Причём, вид характеристического  спектра не зависит  от того, в  какие соединения входит элемент. Поэтому  излучение и названо характеристическим. Характеристическая рентгеновская  спектроскопия позволяет определять из  атомов каких элементов состоят  молекулы исследуемого вещества.

 

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ, ПРИМЕНЕНИЕ В ФАРМАЦИИ, МЕДИЦИНЕ, БИОЛОГИИ, БИОФИЗИКЕ.

Рентгеноструктурный анализ – метод исследования микроструктуры объекта, основанный на изучении дифракции  рентгеновских лучей на атомах и  молекулах (рис. 2.5).

 

Рис.2.5. К выводу формулы Вульфа –  Брэггов ( объяснения в тексте ).

Рентгеновские лучи, падающие на поверхность кристалла  под небольшим углом скольжения , дифрагируют на атомах кристалла так, что вторичные волны можно рассматривать как бы отразившимися от кристаллографических плоскостей. Луч 1, отразившийся от верхней кристаллографической плоскости АА, интерферирует с лучом 2, отразившимся от нижней плоскости ББ. Разность хода этих лучей

 

= СB + BD = 2AB  sin , так как АС и АВ перпендикуляры к падающим 1 и 2 и лучам, а углы САВ и ВАD  равны .

Максимумы интерференции  будут,  когда разность хода  равна целому числу длин волн:

 

,

                                                                                                                        (2.4)