Hvad ved vi om røntgenstråler?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

I det 19. århundrede virkede stråling usynlig for det menneskelige øje, i stand til at passere gennem kød og andre materialer, som noget helt fantastisk. Nu er røntgenstråler meget brugt til at skabe medicinske billeder, udføre strålebehandling, analysere kunstværker og løse atomenergiproblemer.

Hvordan røntgenstråling blev opdaget, og hvordan det hjælper mennesker - finder vi ud af sammen med fysiker Alexander Nikolaevich Dolgov.

Opdagelsen af røntgenstråler

Fra slutningen af det 19. århundrede begyndte videnskaben at spille en fundamentalt ny rolle i udformningen af verdensbilledet. For et århundrede siden var videnskabsmænds aktiviteter af amatør og privat karakter. Men i slutningen af det 18. århundrede, som et resultat af den videnskabelige og teknologiske revolution, blev videnskaben til en systematisk aktivitet, hvor enhver opdagelse blev mulig takket være bidraget fra mange specialister.

Forskningsinstitutter, periodiske videnskabelige tidsskrifter begyndte at dukke op, konkurrence og kamp opstod for anerkendelse af ophavsret til videnskabelige resultater og tekniske innovationer. Alle disse processer fandt sted i det tyske imperium, hvor kejseren i slutningen af det 19. århundrede tilskyndede til videnskabelige resultater, der øgede landets prestige på verdensscenen.

En af de videnskabsmænd, der arbejdede med entusiasme i denne periode, var professoren i fysik, rektor ved universitetet i Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. Den 8. november 1895 blev han sent i laboratoriet, som det ofte skete, og besluttede at foretage en eksperimentel undersøgelse af den elektriske udladning i vakuumrør af glas. Han formørkede rummet og pakkede et af rørene ind i uigennemsigtigt sort papir for at gøre det lettere at observere de optiske fænomener, der ledsager udledningen. Til min overraskelse

Roentgen så et fluorescensbånd på en nærliggende skærm dækket med bariumcyanoplatinitkrystaller. Det er usandsynligt, at en videnskabsmand så kunne forestille sig, at han stod på randen af en af sin tids vigtigste videnskabelige opdagelser. Næste år vil der blive skrevet over tusinde publikationer om røntgenstråler, læger vil straks tage opfindelsen i brug, takket være den vil radioaktivitet blive opdaget i fremtiden, og nye videnskabsretninger vil dukke op.

Roentgen viede de næste par uger til at undersøge arten af den uforståelige glød og fandt ud af, at fluorescens dukkede op, når han tilførte strøm til røret. Røret var kilden til strålingen, ikke en anden del af det elektriske kredsløb. Uden at vide, hvad han stod over for, besluttede Roentgen at betegne dette fænomen som røntgenstråler eller røntgenstråler. Yderligere opdagede Roentgen, at denne stråling kan trænge ind i næsten alle objekter i forskellige dybder, afhængigt af objektets tykkelse og stoffets tæthed.

En lille blyskive mellem udledningsrøret og skærmen viste sig således at være uigennemtrængelig for røntgenstråler, og håndens knogler kastede en mørkere skygge på skærmen, omgivet af en lysere skygge fra blødt væv. Snart fandt videnskabsmanden ud af, at røntgenstrålerne ikke kun forårsager gløden fra skærmen dækket med bariumcyanoplatinit, men også mørkningen af fotografiske plader (efter fremkaldelse) på de steder, hvor røntgenstrålerne faldt på den fotografiske emulsion.

I løbet af sine eksperimenter var Roentgen overbevist om, at han havde opdaget stråling ukendt for videnskaben. Den 28. december 1895 berettede han om forskningsresultaterne i en artikel "On a new type of radiation" i tidsskriftet Annals of Physics and Chemistry. Samtidig sendte han videnskabsmænd billederne af hånden af sin kone, Anna Bertha Ludwig, som senere blev berømt.

Takket være Roentgens gamle ven, den østrigske fysiker Franz Exner, var indbyggerne i Wien de første til at se disse billeder den 5. januar 1896 på siderne i avisen Die Presse. Allerede dagen efter blev information om åbningen sendt til avisen London Chronicle. Så opdagelsen af Roentgen begyndte gradvist at komme ind i menneskers daglige liv. Praktisk anvendelse blev fundet næsten øjeblikkeligt: den 20. januar 1896 i New Hampshire behandlede læger en mand med en brækket arm ved hjælp af en ny diagnostisk metode - en røntgen.

Tidlig brug af røntgenstråler

I løbet af flere år er røntgenbilleder begyndt at blive aktivt brugt til mere præcise operationer. Allerede 14 dage efter deres åbning tog Friedrich Otto Valkhoff det første tandrøntgenbillede. Og herefter grundlagde de sammen med Fritz Giesel verdens første tandrøntgenlaboratorium.

I 1900, 5 år efter dets opdagelse, blev brugen af røntgenstråler til diagnosticering betragtet som en integreret del af medicinsk praksis.

Statistikken udarbejdet af det ældste hospital i Pennsylvania kan anses for at være indikativ for udbredelsen af teknologier baseret på røntgenstråling. Ifølge hende modtog kun omkring 1-2 % af patienterne i 1900 hjælp til røntgenbilleder, mens der i 1925 allerede var 25 %.

Røntgen blev brugt på en meget usædvanlig måde på det tidspunkt. For eksempel blev de brugt til at levere hårfjerningstjenester. I lang tid blev denne metode anset for at være at foretrække i sammenligning med de mere smertefulde - pincet eller voks. Derudover er røntgenstråler blevet brugt i skotilpasningsapparater - try-on fluoroskoper (pedoskoper). Det var røntgenapparater med et særligt indhak til fødderne, samt vinduer, hvorigennem klienten og sælgerne kunne vurdere, hvordan skoene satte sig.

Den tidlige brug af røntgenbilleder fra et moderne sikkerhedsperspektiv rejser mange spørgsmål. Problemet var, at man på tidspunktet for opdagelsen af røntgenstråler praktisk talt intet kendte til stråling og dens konsekvenser, hvorfor pionererne, der brugte den nye opfindelse, selv oplevede dens skadelige virkninger De negative konsekvenser af øget eksponering blev et massefænomen ved begyndelsen af det 19. århundrede. XX århundreder, og folk begyndte gradvist at komme til erkendelse af farerne ved tankeløs brug af røntgenstråler.

Røntgenstrålernes natur

Røntgenstråling er elektromagnetisk stråling med fotonenergier fra ~100 eV til 250 keV, som ligger på skalaen af elektromagnetiske bølger mellem ultraviolet stråling og gammastråling. Det er en del af den naturlige stråling, der opstår i radioisotoper, når grundstoffernes atomer exciteres af en strøm af elektroner, alfapartikler eller gamma-kvanter, hvor elektroner udstødes fra atomets elektronskaller. Røntgenstråling opstår, når ladede partikler bevæger sig med acceleration, især når elektroner decelereres, i det elektriske felt af atomer i et stof.

Der skelnes mellem bløde og hårde røntgenstråler, mellem hvilke den betingede grænse på bølgelængdeskalaen er omkring 0,2 nm, hvilket svarer til en fotonenergi på omkring 6 keV. Røntgenstråling er både gennemtrængende, på grund af sin korte bølgelængde, og ioniserende, da den, når den passerer gennem et stof, interagerer med elektroner, slår dem ud af atomer, hvorved de bryder dem i ioner og elektroner og ændrer stoffets struktur på som den virker.

Røntgenstråler får en kemisk forbindelse kaldet fluorescens til at gløde. Bestråling af prøvens atomer med højenergifotoner forårsager emission af elektroner - de forlader atomet. I en eller flere elektronorbitaler dannes "huller" - ledige stillinger, på grund af hvilke atomerne går i en exciteret tilstand, det vil sige, at de bliver ustabile. Milliontedele af et sekund senere vender atomerne tilbage til en stabil tilstand, når de ledige pladser i de indre orbitaler er fyldt med elektroner fra de ydre orbitaler.

Denne overgang ledsages af emission af energi i form af en sekundær foton, hvorfor der opstår fluorescens.

Røntgen astronomi

På Jorden møder vi sjældent røntgenstråler, men det findes ret ofte i rummet. Der forekommer det naturligt på grund af aktiviteten af mange rumobjekter. Dette gjorde røntgenastronomi mulig. Energien af røntgenfotoner er meget højere end optiske, derfor udsender den i røntgenområdet et stof opvarmet til ekstremt høje temperaturer.

Disse kosmiske kilder til røntgenstråling er ikke en mærkbar del af den naturlige baggrundsstråling for os og truer derfor ikke mennesker på nogen måde. Den eneste undtagelse kan være en sådan kilde til hård elektromagnetisk stråling som en supernovaeksplosion, der fandt sted tæt nok på solsystemet.

Hvordan laver man røntgenstråler kunstigt?

Røntgenapparater er stadig meget brugt til ikke-destruktiv introskopi (røntgenbilleder i medicin, fejldetektion i teknologi). Deres hovedkomponent er et røntgenrør, som består af en katode og en anode. Rørelektroderne er forbundet til en højspændingskilde, normalt titusinder eller endda hundredtusindvis af volt. Ved opvarmning udsender katoden elektroner, som accelereres af det genererede elektriske felt mellem katoden og anoden.

Ved at kollidere med anoden bliver elektronerne decelererede og mister det meste af deres energi. I dette tilfælde vises bremsstrahlung-stråling af røntgenområdet, men den overvejende del af elektronenergien omdannes til varme, så anoden afkøles.

Røntgenrøret med konstant eller pulserende virkning er stadig den mest udbredte kilde til røntgenstråling, men det er langt fra den eneste. For at opnå højintensive strålingsimpulser bruges højstrømsudladninger, hvor plasmakanalen af den strømmende strøm komprimeres af sit eget magnetfelt af strømmen - den såkaldte klemning.

Hvis udladningen finder sted i et medium af lette elementer, for eksempel i et brintmedium, så spiller den rollen som en effektiv accelerator af elektroner af det elektriske felt, der opstår i selve udladningen. Denne udladning kan væsentligt overstige det felt, der genereres af en ekstern strømkilde. På denne måde opnås pulser af hård røntgenstråling med høj energi af genererede kvanter (hundredevis af kiloelektronvolt), som har en høj gennemtrængende kraft.

For at opnå røntgenstråler i et bredt spektralområde bruges elektronacceleratorer - synkrotroner. I dem dannes stråling inde i et ringformet vakuumkammer, hvor en snævert rettet stråle af højenergielektroner, accelereret næsten til lysets hastighed, bevæger sig i en cirkulær bane. Under rotation, under påvirkning af et magnetisk felt, udsender flyvende elektroner stråler af fotoner tangentielt til kredsløbet i et bredt spektrum, hvis maksimum falder på røntgenområdet.

Hvordan røntgenstråler opdages

I lang tid blev et tyndt lag fosfor eller fotografisk emulsion påført overfladen af en glasplade eller transparent polymerfilm brugt til at detektere og måle røntgenstråling. Den første skinnede i det optiske område af spektret under påvirkning af røntgenstråling, mens den optiske gennemsigtighed af belægningen ændrede sig i filmen under påvirkning af en kemisk reaktion.

På nuværende tidspunkt bruges elektroniske detektorer oftest til at registrere røntgenstråling - enheder, der genererer en elektrisk impuls, når et kvantum af stråling absorberes i detektorens følsomme volumen. De adskiller sig i princippet om at konvertere energien fra den absorberede stråling til elektriske signaler.

Røntgendetektorer med elektronisk registrering kan opdeles i ionisering, hvis virkning er baseret på ionisering af et stof, og radioluminescens, herunder scintillation, ved brug af et stofs luminescens under påvirkning af ioniserende stråling. Ioniseringsdetektorer er til gengæld opdelt i gasfyldte og halvledere, afhængigt af detektionsmediet.

Hovedtyperne af gasfyldte detektorer er ioniseringskamre, Geiger-tællere (Geiger-Muller-tællere) og proportionale gasudladningstællere. Strålingskvanter, der kommer ind i tællerens arbejdsmiljø, forårsager ionisering af gassen og strømmen, som registreres. I en halvlederdetektor dannes elektron-hul-par under påvirkning af strålingskvanter, som også gør det muligt for en elektrisk strøm at strømme gennem detektorlegemet.

Hovedkomponenten i scintillationstællere i en vakuumenhed er et fotomultiplikatorrør (PMT), som bruger den fotoelektriske effekt til at omdanne stråling til en strøm af ladede partikler og fænomenet med sekundær elektronemission for at øge strømmen af de genererede ladede partikler. Fotomultiplikatoren har en fotokatode og et system af sekventielle accelererende elektroder - dynoder, som accelererede elektroner formerer sig ved påvirkning.

Sekundær elektronmultiplikator er en åben vakuumanordning (fungerer kun under vakuumforhold), hvor røntgenstråling ved indgangen omdannes til en strøm af primære elektroner og derefter forstærkes på grund af den sekundære emission af elektroner, når de udbreder sig i multiplikatorkanalen.

Mikrokanalplader, som er et stort antal separate mikroskopiske kanaler, der trænger ind i pladedetektoren, fungerer efter samme princip. De kan desuden give rumlig opløsning og dannelsen af et optisk billede af tværsnittet af fluxen, der falder ind på detektoren af røntgenstråling ved at bombardere den udgående elektronstrøm fra en semitransparent skærm med en fosfor aflejret på den.

Røntgen i medicin

Røntgenstrålernes evne til at skinne gennem materielle genstande giver ikke kun mennesker muligheden for at skabe simple røntgenstråler, men åbner også for muligheder for mere avancerede diagnostiske værktøjer. For eksempel er det kernen i computertomografi (CT).

Røntgenkilden og modtageren roterer inde i ringen, hvori patienten ligger. De opnåede data om, hvordan kroppens væv absorberer røntgenstråler, rekonstrueres af en computer til et 3D-billede. CT er især vigtigt for at diagnosticere slagtilfælde, og selvom det er mindre præcist end magnetisk resonansbilleddannelse af hjernen, tager det meget kortere tid.

En relativt ny retning, som nu udvikler sig inden for mikrobiologi og medicin, er brugen af blød røntgenstråling. Når en levende organisme er gennemskinnelig, gør det det muligt at få et billede af blodkar, at studere i detaljer strukturen af blødt væv og endda at udføre mikrobiologiske undersøgelser på cellulært niveau.

Et røntgenmikroskop, der anvender stråling fra en pinch-type udledning i plasmaet af tunge grundstoffer, gør det muligt at se sådanne detaljer om strukturen af en levende celle,som ikke kan ses af et elektronmikroskop selv i en specielt forberedt cellulær struktur.

En af de typer strålebehandling, der bruges til at behandle ondartede tumorer, bruger hårde røntgenstråler, hvilket bliver muligt på grund af dets ioniserende virkning, som ødelægger vævet i et biologisk objekt. I dette tilfælde bruges en elektronaccelerator som strålingskilde.

Radiografi i teknologi

Bløde røntgenstråler bruges i forskning rettet mod at løse problemet med kontrolleret termonuklear fusion. For at starte processen skal du skabe en rekylchokbølge ved at bestråle et lille deuterium- og tritiummål med bløde røntgenstråler fra en elektrisk udladning og øjeblikkeligt opvarme skallen af dette mål til en plasmatilstand.

Denne bølge komprimerer målmaterialet til en tæthed tusindvis af gange højere end tætheden af et fast stof og varmer det op til en termonuklear temperatur. Frigivelsen af termonukleær fusionsenergi sker på kort tid, mens det varme plasma spredes ved inerti.

Evnen til gennemskinnelig gør radiografi mulig - en billedbehandlingsteknik, der giver dig mulighed for at vise den indre struktur af en uigennemsigtig genstand lavet af metal, for eksempel. Det er umuligt at afgøre med øjet, om brokonstruktionerne er fastsvejset, om sømmen ved gasrørledningen er lufttæt, og om skinnerne passer tæt til hinanden.

Derfor bruges røntgen i industrien til fejldetektion - overvågning af pålideligheden af de vigtigste arbejdsegenskaber og parametre for et objekt eller dets individuelle elementer, hvilket ikke kræver at tage objektet ud af drift eller demontere det.

Røntgenfluorescensspektrometri er baseret på effekten af fluorescens - en analysemetode, der bruges til at bestemme koncentrationerne af grundstoffer fra beryllium til uran i området fra 0,0001 til 100 % i stoffer af forskellig oprindelse.

Når en prøve bestråles med en kraftig strålingsflux fra et røntgenrør, fremkommer karakteristisk fluorescerende stråling af atomer, som er proportional med deres koncentration i prøven. På nuværende tidspunkt gør praktisk talt ethvert elektronmikroskop det muligt uden problemer at bestemme den detaljerede elementære sammensætning af de undersøgte mikroobjekter ved hjælp af røntgenfluorescensanalysemetoden.

Røntgen i kunsthistorien

Røntgenstrålernes evne til at skinne igennem og skabe en fluorescenseffekt bruges også til at studere malerier. Hvad der gemmer sig under det øverste lag af maling kan fortælle meget om historien om skabelsen af lærredet. For eksempel er det i det dygtige arbejde med flere lag maling, at et billede kan ses som unikt i en kunstners arbejde. Det er også vigtigt at tage højde for strukturen af maleriets lag, når du vælger de bedst egnede opbevaringsforhold til lærredet.

For alt dette er røntgenstråling uundværlig, så du kan se under de øverste lag af billedet uden at skade det.

Vigtige udviklinger i denne retning er nye metoder specialiseret til at arbejde med kunstværker. Makroskopisk fluorescens er en variant af røntgenfluorescensanalyse, der er velegnet til at visualisere fordelingsstrukturen af nøgleelementer, hovedsageligt metaller, til stede i områder på omkring 0,5-1 kvadratmeter eller mere.

På den anden side virker røntgenlaminografi, en variant af computerrøntgentomografi, som er mere velegnet til at studere flade overflader, lovende til at få billeder af individuelle lag af et billede. Disse metoder kan også bruges til at studere den kemiske sammensætning af malingslaget. Dette gør det muligt at datere lærredet, herunder for at identificere en forfalskning.

Røntgenstråler giver dig mulighed for at finde ud af strukturen af et stof

Røntgenkrystallografi er en videnskabelig retning forbundet med identifikation af stofstrukturen på atom- og molekylært niveau. Et karakteristisk træk ved krystallinske legemer er en multiple ordnet gentagelse i den rumlige struktur af de samme elementer (celler), bestående af et bestemt sæt af atomer, molekyler eller ioner.

Hovedforskningsmetoden består i at udsætte en krystallinsk prøve for en smal stråle af røntgenstråler ved hjælp af et røntgenkamera. Det resulterende fotografi viser et billede af diffrakteret røntgenstråler, der passerer gennem krystallen, hvorfra videnskabsmænd derefter visuelt kan vise dens rumlige struktur, kaldet krystalgitteret. Forskellige måder at implementere denne metode på kaldes røntgenstrukturanalyse.

Røntgenstrukturanalyse af krystallinske stoffer består af to faser:

1. Bestemmelse af størrelsen af krystallens enhedscelle, antallet af partikler (atomer, molekyler) i enhedscellen og symmetrien af arrangementet af partikler. Disse data opnås ved at analysere geometrien af placeringen af diffraktionsmaksima.
2. Beregning af elektrontætheden inde i enhedscellen og bestemmelse af de atomare koordinater, som identificeres med placeringen af elektrondensitetsmaksima. Disse data opnås ved at analysere intensiteten af diffraktionsmaksima.

Nogle molekylærbiologer forudsiger, at ved billeddannelse af de største og mest komplekse molekyler kan røntgenkrystallografi erstattes af en ny teknik kaldet kryogen elektronmikroskopi.

Et af de nyeste værktøjer inden for kemisk analyse var Hendersons filmscanner, som han brugte i sit banebrydende arbejde inden for kryogen elektronmikroskopi. Denne metode er dog stadig ret dyr og vil derfor næppe helt erstatte røntgenkrystallografi i den nærmeste fremtid.

Et relativt nyt område for forskning og tekniske anvendelser forbundet med brugen af røntgenstråler er røntgenmikroskopi. Det er designet til at opnå et forstørret billede af objektet under undersøgelse i det virkelige rum i to eller tre dimensioner ved hjælp af fokuseringsoptik.

Diffraktionsgrænsen for rumlig opløsning i røntgenmikroskopi på grund af den lille bølgelængde af den anvendte stråling er omkring 1000 gange bedre end den tilsvarende værdi for et optisk mikroskop. Derudover gør den gennemtrængende kraft af røntgenstråling det muligt at studere den indre struktur af prøver, der er fuldstændig uigennemsigtige for synligt lys.

Og selvom elektronmikroskopi har fordelen af en lidt højere rumlig opløsning, er det ikke en ikke-destruktiv undersøgelsesmetode, da den kræver et vakuum og prøver med metalliske eller metalliserede overflader, som er fuldstændig ødelæggende for for eksempel biologiske objekter.