Способ получения рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновское излучение можно получать как электронной бомбардировкой, так и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае большая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный.

39))Применение рентгеновского излучения:
1) При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов
2) Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

3) В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ).
4) При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества..
5) В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
6) Рентгенотерапия

41)Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом: фотопоглощение, когерентное рассеяние, комптоновское рассеяние, образование пар. Вероятности этих процессов.

1)Фотопоглощение, или фотоэффект – является главным процессом поглощения квантов с относительно низкой энергией hu, но достаточной для ионизации. Фотопоглощение является основным процессом поглощения энергии рентгеновского излучения при энергии квантов до примерно 200 кэВ (0,2 МэВ). Именно фотопоглощение знаменует конец приключений квантов с высокой энергией в ходе их многоступенчатого взаимодействия с веществом. При фотопоглощении квант с энергией hu, превосходящей энергию связи К-электрона в атоме Е_к, выбивает его и сообщает ему кинетическую энергию Е_кин:hu = Е_к + Е_кин

Вакантное место выбитого К-электрона заполняется одним из внешних электронов, что сопровождается высвечиванием одного или нескольких квантов характеристического излучения. В итоге, вместо первичного кванта hu мы получаем кванты характеристического излучения и свободный электрон.

2) Когерентное рассеяние.Когерентное рассеяние характерно для мягкого рентгеновского излучения, у которого энергия квантов меньше, чем энергия ионизации атомов поглощающей среды: hu < A_и. Такой квант переводит атом в возбужденное состояние (один из электронов переходит на одну из более удаленных от ядра орбит), но примерно через ∆t= 10^-8с атом возвращается в обычное состояние, излучив вторичный рентгеновский квант. При этом hu^/ = hu, но это будет квант нового направления.

3)Образование пар.Рассеянные кванты hu^/ ослабляют первичный поток квантов hu лишь фактом своего ухода из потока. Но уйдя из основного потока, они могут создать проблемы, например, для обслуживающего персонала: энергия ионизации атомов, из которых состоит этот персонал, может оказаться ниже, чем у атомов в преграде, и рассеянное излучение окажется ионизирующим.

При энергии рентгеновских и гамма-квантов hu > 1 МэВ, может происходить еще один процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом – процесс образования электронно-позитронных пар: (4)

Позитрон - античастица по отношению к электрону - был предсказан Полем Дираком в 1931 году. В актах обсуждаемого взаимодействия проявляет себя как частица, имеющая такую же массу, как и электрон, но положительный заряд.

масса электрона m_e = 0,511 МэВ. Такова же и масса позитрона. Следовательно, превращение (4) можно обсуждать как абстрактную возможность, если выполнено пороговое условие:hu > 0,511 + 0,511 = 1,022 МэВ.

Оказалось, что эта возможность реализуется.

Превращение (4) происходит, если квант с энергией hu > 1,022 МэВ оказывается в поле атомного ядра, т.е. можно сказать, при столкновении кванта с ядром. Ядро атома очередной раз демонстрирует свое неприятие «варягов». Если квант имел энергию сверх порогового значения, она реализуется как кинетическая энергия электрона и позитрона, поделенная между ними поровну.

При энергиях квантов hu > 1 МэВ, по мере роста энергии растет и вероятность преобразований (4). Процесс образования пар становится преобладающим, потеснив, но не исключая процесс комптоновского рассеяния.

Проследим поглощение энергии через процесс образования пар. Пусть квант с энергией hu = 5 МэВ, столкнувшись с ядром одного из атомов, прекратил свое существование, но «дал жизнь» электрону и позитрону. На их образование израсходован, округленно, 1 МэВ энергии. Значит, кинетическая энергия каждого из этой парочки – около 2 МэВ, т.е. родились быстрый электрон и быстрый позитрон.

Быстрый электрон будет тормозиться, становясь источником рентгеновского излучения,которое,взаимодействуя с веществом по всем ранее рассмотренным вариантам, будет осуществлять его ионизацию. Быстрый позитрон будет вести себя точно так же, но как только растеряет свою кинетическую энергию, произойдет катастрофа – его аннигиляция с одним из медленных свободных электронов:

Образуются два g-кванта с энергией по 0,511 МэВ, имеющие строго противоположные направления. Эти кванты будут уменьшать свою энергию в серии актов комптоновского рассеяния, и закончат свое существование фотопоглощением.

4)комптоновское рассеяние.

Эффект Комптона (Комптон-эффект) —рассеивание рентгеновского излучения с изменением длины волны.Возникает,если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации.

Это явление обусловлено тем,что при взаимодействии с атомом энергия hu фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией hu’ , на отрыв электрона от атома(энергия ионизации Аи) и сообщение электрону кинетической энергии Ек

hu= hu’ + Аи +Ек

42).Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Единицы активности радиоактивных препаратов.

1)Радиоактивность.Радиоактивностью называют самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц.Характерным признаком,отличающим ее от других видов ядерных превращений,является самопроизвольность(спонтанность)этого процесса.р. Распад сопровождается потоками излучений, имеющих большую энергию и как следствие, высокую ионизирующую способность. В ранних опытах было установлено, что распад сопровождается излучением, имеющим три компоненты, названные a-, b- и g-излучением. Позднее выяснилось, что появление всех трех компонент – результат того, что фактически изучался распад смеси нестабильных ядер

* Что касается a-частиц, то по их поведению в электрических и магнитных полях был сделан вывод: a-частицы – это ядра гелия . Такой тип распада ядер, с выбрасыванием a-частиц, получил название a-распада.

Другой тип распада, названный b^--распадом, сопровождается выбрасыванием отрицательно зараженных b-частиц, оказавшихся при ближайшем рассмотрении потоком электронов высокой энергии.

Значительно позднее была обнаружена еще одна разновидность распада - b⁺-распад. Он имеет место при распаде искусственно созданных радиоактивных изотопов; b⁺-частицы – это поток позитронов.

Гамма-излучение как правило сопровождает a-распад и b-распад, и соответствует тому факту, что некие излишки энергии распадающееся ядро «выбрасывает» в виде g-кванта. Но исключения, когда основной распад обходится без g-излучения, все же встречаются. Пример тому – b-распад стронция-90. *

2)Закон радиоактивного распада.Для каждого вида нестабильных ядер вероятность распада одного ядра в любую (ближнюю или отдаленную) единицу времени есть величина постоянная. Именно такому положению дел отвечает закон радиоактивного распада

N = N₀e ^-lt (9)

Здесь N – численность нераспавшихся ядер как функция времени t; N₀ – число нераспавшихся ядер в начальный момент времени (t = 0); l – постоянная распада – константа, индивидуальная для каждого вида нестабильных ядер.

3)Период полураспада. Промежуток времени, в течение которого число нераспавшихся ядер уменьшается от N₀ до ½N₀, называется периодом полураспада Т_1/2. Этот показатель связан с постоянной распада соотношениями:

Диапазон значений периода полураспада природных радиоактивных изотопов необычайно широк: от 10¹⁰ лет до 10^-8 секунды.

4) Единицы активности радиоактивных препаратов.Под активностью радиоактивного препарата понимается число нестабильных атомов этого препарата, распадающихся за одну секунду. В системе СИ приняты две единицы активности:

а) Беккерель – 1 Бк = 1 = 1 1/c

б) Кюри – 1 Ки = 3,7×10¹⁰ Бк = 3,7×10¹⁰ 1/c

1Ки – очень большая величина. В медицинской практике используют препараты с активностью в милли- и микрокюри: 1 мКи = 10^-3 Ки; 1 мкКи = 10^-6 Ки.

удельная активность – величина,измеряемая в единицах активности на кубический сантиметр: мКи/см³; мкКи/см³. Эта величина сходна по смыслу с концентрацией раствора.

43)Виды ионизирующих (радиоактивных) излучений

1) α-распад: Распадается ядро радиоактивного атома на другое ядро и ядро атома гелия:

2) β-распад: Заключается во внутриядерном превращении (взаимном) протона и нейтрона. Существуют 3 вида этого излучения:

· Электронный (или -распад): из ядра вылетает электрон, ему сопутствует антинейтрино:

, где последнее слагаемое – антинейтрино.

При таком распаде электрон образуется при внутриядерном превращении нейтрона в протон

· Позитронный (или -распад): из ядра выделяется позитрон и нейтрино:

Позитрон образуется при внутриядерном превращении протона в нейтрон

· Электронный захват (e-захват):

Ядро захватывает электрон с одного из внутренних слоёв, тогда протон превращается в нейтрон.

3) γ-излучение

Возникает при β-распаде. Но в отличие от первых двух не отклоняются ни электрическими, ни магнитными полями.

При прохождении γ-квантов ч-з вещество возникают:

▪ Фотоэффект — энергиягамма-квантапоглощаетсяэлектрономоболочкиатома, и электрон, совершаяработувыхода, покидаетатом (которыйстановитсяионизированным).

▪ Комптон-эффект — гамма-квантрассеиваетсяпривзаимодействии с электроном, приэтомобразуетсяновыйгамма-квант, меньшейэнергии, чтотакжесопровождаетсявысвобождениемэлектрона и ионизациейатома.

▪ Эффектобразованияпар — гамма-квант в полеядрапревращается в электрон и позитрон.

Ядерныйфотоэффект — приэнергияхвышенесколькихдесятковМэВгамма-квантспособенвыбиватьнуклоны из ядра

44) Ослабление фотонного <ионизирующие излучения слоем вещества происходит по экспоненциальному закону и характеризуется линейным коэффициентом ослабления m, который показывает, на какой толщине слоя вещества интенсивность падающего пучка ослабляется в е раз. Обычно измеряют ослабление потока излучения и вводят массовый коэффициент ослабления m/r (r - плотность вещества): Фn = Ф0nе-(m/r).rx, где х - толщина слоя веществa, Ф0n и Фn - падающий и прошедший потоки соответственно. При прохождении потока фотонов через среду часть их рассеивается, часть поглощается, поэтому различают массовые коэффициенты ослабления и поглощения; второй коэффициент численно меньше первого. Каждый вид взаимодействия излучения со средой характеризуется своими массовыми коэффициентами, зависящими от энергии фотонов и атомного номера элемента, из которого состоит вещество среды.

Нейтронное излучение взаимодействует только с атомными ядрами среды. По энергии нейтроны (в сравнении со средней энергией теплового движения kT, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура) подразделяют на холодные (Е < kT), тепловые (Е ~ kT), медленные (kT < E < 103 эВ), промежуточные (103 <E < 5.105 эВ) и быстрые (E > 5.105 эВ). Нейтроны в веществе испытывают упругое и неупругое рассеяние. При достаточной энергии нейтроны могут выбивать частично ионизированные атомы из среды (так называемые ядра отдачи). При захвате нейтронов атомными ядрами могут происходить ядерные реакции, последствием которых является испускание γ-квантов, α- и β-частиц, осколков деления ядра и др. Ослабление потока нейтронов происходит по экспоненциальному закону Фn = Ф0nе-Nsa, где N - число атомов данного вида в единице объема, s - так называемое сечение захвата. Значение s убывает обратно пропорционально скорости нейтронов, но на этой зависимости имеются максимумы (резонансные области захвата), в которых сечение характеристично для каждого нуклида и может принимать значения от 2.10-33 м2 для 15N до 3,6.10-22 м2 для 135Хе.

Рис. 1. Зависимость массового коэффициента ослабления m/r g-излучения в воде от энергии квантов: 1 - фотоэффект; 2 и 3 - ионизационная и рассеивательная составляющие эффекта Комптона соответственно; 4 - эффект рождения пары электрон-позитрон.

Глубину проникновения фотонного и нейтронного <ионизирующие излучения в среду характеризуют слоем половинного ослабления D1/2, уменьшающим поток излучения вдвое. В случае воды D1/2 = 9 см для направленного потока γ-излучения 60Со с энергией 1,25 МэВ и D1/2 =8 см для направленного потока нейтронов со средней энергией 6 МэВ.

45) Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы (см. Радикалы свободные), которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10-9г) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра (например, к инактивации белка-фермента). Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе Б. д. и. и., т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли сек (рис. 3).

Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению количества богатых энергией (макроэргических) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Т. о., в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются многие компоненты клетки, в том числе макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная кислота, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологических процессов и клеточных структур.

Лучева́я боле́знь — заболевание, возникающее в результате воздействия различных видов ионизирующих излучений и характеризующаяся симптомокомплексом, зависящим от вида поражающего излучения, его дозы, локализации источника радиоактивных веществ, распределения дозы во времени и теле человека.

У человека лучевая болезнь может быть обусловлена внешним облучением и внутренним — при попадании радиоактивных веществ в организм с вдыхаемым воздухом, через желудочно-кишечный тракт или через кожу и слизистые оболочки, а также в результате инъекции.

Общие клинические проявления лучевой болезни зависят, главным образом, от полученной суммарной дозы радиации. Дозы до 1 Гр (100 рад) вызывают относительно лёгкие изменения, которые могут рассматриваться как состояние предболезни. Дозы свыше 1 Гр вызывают костно-мозговую или кишечную формы лучевой болезни различной степени тяжести, которые зависят главным образом от поражения органов кроветворения. Дозы однократного облучения свыше 10 Гр считаются абсолютно смертельными.

Принято различать два типа отдаленных последствий — соматические, развивающиеся у самих облучённых индивидуумов, и генетические — наследственные заболевания, развивающиеся в потомстве облучённых родителей.

Деление на соматические и генетические последствия весьма условно, так как характер повреждения зависит от того, какие клетки подверглись облучению, т. е. в каких клетках это повреждение возникло — в соматических или зародышевых. В обоих случаях повреждается генетический аппарат, а следовательно, и возникшие повреждения могут наследоваться. В первом случае они наследуются в пределах тканей данного организма, объединяясь в понятие соматического мутагенеза, а во втором — также в виде различных мутаций, но в потомстве облучённых особей.

Ядерная медицина

Ядерная медицина — раздел медицины, связанный с использованием радиоизотопов. Различные направления - радиоизотопная диагностика, радиоиммунный анализ, радиотерапия и др.

Поиск по сайту: