La radiación de rayos X y su aplicación. Breve descripción de la radiación de rayos X. El uso de los rayos X en medicina.
Breve descripción de la radiación de rayos X
Los rayos X son ondas electromagnéticas (flujo de cuantos, fotones), cuya energía se encuentra en la escala de energía entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma (Fig. 2-1). Los fotones de rayos X tienen energías de 100 eV a 250 keV, lo que corresponde a una radiación con una frecuencia de 3 × 10 16 Hz a 6 × 10 19 Hz y una longitud de onda de 0,005 a 10 nm. Los espectros electromagnéticos de los rayos X y los rayos gamma se superponen en gran medida.
Arroz. 2-1. Escala de radiación electromagnética
La principal diferencia entre estos dos tipos de radiación es la forma en que ocurren. Los rayos X se obtienen con la participación de electrones (por ejemplo, durante la desaceleración de su flujo) y los rayos gamma, con la desintegración radiactiva de los núcleos de algunos elementos.
Los rayos X se pueden generar durante la desaceleración de un flujo acelerado de partículas cargadas (el llamado bremsstrahlung) o cuando se producen transiciones de alta energía en las capas de electrones de los átomos (radiación característica). Los dispositivos médicos utilizan tubos de rayos X para generar rayos X (Figura 2-2). Sus componentes principales son un cátodo y un ánodo masivo. Los electrones emitidos debido a la diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo son acelerados, alcanzan el ánodo, al chocar con el material del que son desacelerados. Como resultado, se producen rayos X de bremsstrahlung. Durante la colisión de electrones con el ánodo, también ocurre el segundo proceso: los electrones son eliminados de las capas de electrones de los átomos del ánodo. Sus lugares están ocupados por electrones de otras capas del átomo. Durante este proceso, se genera un segundo tipo de radiación de rayos X, la llamada radiación de rayos X característica, cuyo espectro depende en gran medida del material del ánodo. Los ánodos suelen estar hechos de molibdeno o tungsteno. Existen dispositivos especiales para enfocar y filtrar los rayos X con el fin de mejorar las imágenes resultantes.
Arroz. 2-2. Esquema del dispositivo de tubo de rayos X:
Las propiedades de los rayos X que predeterminan su uso en medicina son los efectos penetrantes, fluorescentes y fotoquímicos. El poder de penetración de los rayos X y su absorción por los tejidos del cuerpo humano y los materiales artificiales son las propiedades más importantes que determinan su uso en el diagnóstico de radiación. Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es el poder de penetración de los rayos X.
Hay rayos X "blandos" con baja energía y frecuencia de radiación (respectivamente, con la mayor longitud de onda) y rayos X "duros" con alta energía fotónica y frecuencia de radiación, que tienen una longitud de onda corta. La longitud de onda de la radiación de rayos X (respectivamente, su "rigidez" y poder de penetración) depende de la magnitud del voltaje aplicado al tubo de rayos X. Cuanto mayor sea el voltaje en el tubo, mayor será la velocidad y la energía del flujo de electrones y menor será la longitud de onda de los rayos X.
Durante la interacción de la radiación de rayos X que penetra a través de la sustancia, se producen cambios cualitativos y cuantitativos en ella. El grado de absorción de los rayos X por los tejidos es diferente y está determinado por la densidad y el peso atómico de los elementos que componen el objeto. Cuanto mayor sea la densidad y el peso atómico de la sustancia de la que consta el objeto (órgano) en estudio, más rayos X se absorben. El cuerpo humano contiene tejidos y órganos de diferente densidad (pulmones, huesos, tejidos blandos, etc.), lo que explica la diferente absorción de los rayos X. La visualización de órganos y estructuras internas se basa en la diferencia artificial o natural en la absorción de rayos X por varios órganos y tejidos.
Para registrar la radiación que ha atravesado el cuerpo se utiliza su capacidad de provocar la fluorescencia de determinados compuestos y de tener un efecto fotoquímico en la película. Para ello, se utilizan pantallas especiales para fluoroscopia y películas fotográficas para radiografía. En las modernas máquinas de rayos X, se utilizan sistemas especiales de detectores electrónicos digitales (paneles electrónicos digitales) para registrar la radiación atenuada. En este caso, los métodos de rayos X se denominan digitales.
Debido a los efectos biológicos de los rayos X, es esencial proteger a los pacientes durante el examen. Esto se logra
el menor tiempo de exposición posible, la sustitución de la fluoroscopia por la radiografía, el uso estrictamente justificado de métodos ionizantes, la protección mediante el blindaje del paciente y del personal frente a la exposición a la radiación.
Breve descripción de la radiación de rayos X - concepto y tipos. Clasificación y características de la categoría "Características breves de la radiación de rayos X" 2017, 2018.
RADIACIÓN DE RAYOS X
radiación invisible capaz de penetrar, aunque en diversos grados, todas las sustancias. Es una radiación electromagnética con una longitud de onda de unos 10-8 cm Al igual que la luz visible, los rayos X provocan el ennegrecimiento de la película fotográfica. Esta propiedad es de gran importancia para la medicina, la industria y la investigación científica. Al pasar a través del objeto bajo estudio y luego caer sobre la película, la radiación de rayos X representa su estructura interna en ella. Dado que el poder de penetración de la radiación de rayos X es diferente para diferentes materiales, las partes del objeto que son menos transparentes dan áreas más brillantes en la fotografía que aquellas a través de las cuales la radiación penetra bien. Por lo tanto, los tejidos óseos son menos transparentes a los rayos X que los tejidos que forman la piel y los órganos internos. Por lo tanto, en la radiografía, los huesos se indicarán como áreas más claras y el sitio de la fractura, que es más transparente para la radiación, se puede detectar con bastante facilidad. Las imágenes de rayos X también se utilizan en odontología para detectar caries y abscesos en las raíces de los dientes, así como en la industria para detectar grietas en fundiciones, plásticos y cauchos. Los rayos X se utilizan en química para analizar compuestos y en física para estudiar la estructura de los cristales. Un haz de rayos X que atraviesa un compuesto químico provoca una radiación secundaria característica, cuyo análisis espectroscópico permite al químico determinar la composición del compuesto. Al caer sobre una sustancia cristalina, los átomos del cristal dispersan un haz de rayos X, dando un patrón claro y regular de manchas y rayas en una placa fotográfica, lo que permite establecer la estructura interna del cristal. El uso de rayos X en el tratamiento del cáncer se basa en el hecho de que mata las células cancerosas. Sin embargo, también puede tener un efecto indeseable en las células normales. Por lo tanto, se debe tener extrema precaución en este uso de rayos X. La radiación de rayos X fue descubierta por el físico alemán W. Roentgen (1845-1923). Su nombre está inmortalizado en algunos otros términos físicos asociados con esta radiación: la unidad internacional de la dosis de radiación ionizante se llama roentgen; una imagen tomada con una máquina de rayos X se llama radiografía; El campo de la medicina radiológica que utiliza rayos X para diagnosticar y tratar enfermedades se denomina radiología. Roentgen descubrió la radiación en 1895 cuando era profesor de física en la Universidad de Würzburg. Mientras realizaba experimentos con rayos catódicos (flujos de electrones en tubos de descarga), notó que una pantalla ubicada cerca del tubo de vacío, cubierta con cianoplatinito de bario cristalino, brilla intensamente, aunque el tubo en sí está cubierto con cartón negro. Roentgen estableció además que el poder de penetración de los rayos desconocidos que descubrió, a los que llamó rayos X, dependía de la composición del material absorbente. También tomó imágenes de los huesos de su propia mano colocándolos entre un tubo de descarga de rayos catódicos y una pantalla recubierta con cianoplatinito de bario. El descubrimiento de Roentgen fue seguido por experimentos de otros investigadores que descubrieron muchas propiedades y aplicaciones nuevas de esta radiación. Una gran contribución la hicieron M. Laue, W. Friedrich y P. Knipping, quienes demostraron en 1912 la difracción de los rayos X cuando pasan a través de un cristal; W. Coolidge, quien en 1913 inventó un tubo de rayos X de alto vacío con un cátodo calentado; G. Moseley, quien estableció en 1913 la relación entre la longitud de onda de la radiación y el número atómico de un elemento; G. y L. Braggi, quienes recibieron el Premio Nobel en 1915 por desarrollar los fundamentos del análisis de difracción de rayos X.
OBTENCIÓN DE RADIACIÓN DE RAYOS X
La radiación de rayos X ocurre cuando los electrones que se mueven a altas velocidades interactúan con la materia. Cuando los electrones chocan con los átomos de cualquier sustancia, pierden rápidamente su energía cinética. En este caso, la mayor parte se convierte en calor y una pequeña fracción, generalmente menos del 1%, se convierte en energía de rayos X. Esta energía se libera en forma de cuantos, partículas llamadas fotones que tienen energía pero tienen una masa en reposo cero. Los fotones de rayos X difieren en su energía, que es inversamente proporcional a su longitud de onda. Con el método convencional de obtención de rayos X se obtiene un amplio rango de longitudes de onda, lo que se denomina espectro de rayos X. El espectro contiene componentes pronunciados, como se muestra en la Fig. 1. Un "continuo" amplio se denomina espectro continuo o radiación blanca. Los picos agudos superpuestos se denominan líneas características de emisión de rayos X. Aunque todo el espectro es el resultado de colisiones de electrones con la materia, los mecanismos de aparición de su parte ancha y sus líneas son diferentes. Una sustancia consta de un gran número de átomos, cada uno de los cuales tiene un núcleo rodeado de capas de electrones, y cada electrón en la capa de un átomo de un elemento dado ocupa un cierto nivel de energía discreto. Por lo general, estas capas, o niveles de energía, se denotan con los símbolos K, L, M, etc., comenzando por la capa más cercana al núcleo. Cuando un electrón incidente de energía suficientemente alta choca con uno de los electrones unidos al átomo, lo saca de su capa. El espacio vacío lo ocupa otro electrón de la capa, que corresponde a una energía superior. Este último desprende el exceso de energía emitiendo un fotón de rayos X. Dado que los electrones de la capa tienen valores de energía discretos, los fotones de rayos X resultantes también tienen un espectro discreto. Esto corresponde a picos agudos para ciertas longitudes de onda, cuyos valores específicos dependen del elemento objetivo. Las líneas características forman las series K, L y M, según la capa (K, L o M) de la que se extrajo el electrón. La relación entre la longitud de onda de los rayos X y el número atómico se denomina ley de Moseley (Fig. 2).
Si un electrón choca con un núcleo relativamente pesado, disminuye su velocidad y su energía cinética se libera en forma de un fotón de rayos X de aproximadamente la misma energía. Si vuela más allá del núcleo, perderá solo una parte de su energía, y el resto se transferirá a otros átomos que caigan en su camino. Cada acto de pérdida de energía conduce a la emisión de un fotón con algo de energía. Aparece un espectro de rayos X continuo, cuyo límite superior corresponde a la energía del electrón más rápido. Este es el mecanismo para la formación de un espectro continuo, y la energía máxima (o longitud de onda mínima) que fija el límite del espectro continuo es proporcional al voltaje de aceleración, que determina la velocidad de los electrones incidentes. Las líneas espectrales caracterizan el material del blanco bombardeado, mientras que el espectro continuo está determinado por la energía del haz de electrones y prácticamente no depende del material del blanco. Los rayos X se pueden obtener no solo mediante bombardeo de electrones, sino también irradiando el objetivo con rayos X de otra fuente. En este caso, sin embargo, la mayor parte de la energía del haz incidente entra en el espectro de rayos X característico, y una fracción muy pequeña cae en el espectro continuo. Obviamente, el haz de rayos X incidente debe contener fotones cuya energía sea suficiente para excitar las líneas características del elemento bombardeado. El alto porcentaje de energía por espectro característico hace que este método de excitación de rayos X sea conveniente para la investigación científica.
tubos de rayos X. Para obtener radiación de rayos X debido a la interacción de los electrones con la materia, es necesario tener una fuente de electrones, medios para acelerarlos a altas velocidades y un objetivo capaz de resistir el bombardeo de electrones y producir radiación de rayos X de la intensidad deseada. El dispositivo que tiene todo esto se llama tubo de rayos X. Los primeros exploradores utilizaron tubos de "vacío profundo", como los tubos de descarga actuales. El vacío en ellos no era muy alto. Los tubos de descarga contienen una pequeña cantidad de gas, y cuando se aplica una gran diferencia de potencial a los electrodos del tubo, los átomos de gas se convierten en iones positivos y negativos. Los positivos se mueven hacia el electrodo negativo (cátodo) y, al caer sobre él, extraen electrones de él, y estos, a su vez, se mueven hacia el electrodo positivo (ánodo) y, bombardeándolo, crean una corriente de fotones de rayos X. . En el tubo de rayos X moderno desarrollado por Coolidge (Fig. 3), la fuente de electrones es un cátodo de tungsteno calentado a alta temperatura. Los electrones son acelerados a altas velocidades por la gran diferencia de potencial entre el ánodo (o anticátodo) y el cátodo. Dado que los electrones deben llegar al ánodo sin chocar con los átomos, se requiere un vacío muy alto, para lo cual el tubo debe estar bien vacío. Esto también reduce la probabilidad de ionización de los átomos de gas restantes y las corrientes laterales asociadas.
Los electrones se concentran en el ánodo mediante un electrodo de forma especial que rodea el cátodo. Este electrodo se denomina electrodo de enfoque y junto con el cátodo forma el "faro de búsqueda electrónico" del tubo. El ánodo sometido al bombardeo de electrones debe estar hecho de un material refractario, ya que la mayor parte de la energía cinética de los electrones bombardeados se convierte en calor. Además, es deseable que el ánodo esté hecho de un material con un número atómico alto, ya que el rendimiento de rayos X aumenta con el aumento del número atómico. Como material de ánodo se suele elegir tungsteno, cuyo número atómico es 74. El diseño de los tubos de rayos X puede ser diferente según las condiciones y los requisitos de la aplicación.
DETECCIÓN DE RAYOS X
Todos los métodos para detectar rayos X se basan en su interacción con la materia. Los detectores pueden ser de dos tipos: los que dan imagen y los que no. Los primeros incluyen dispositivos de fluorografía y fluoroscopia de rayos X, en los que el haz de rayos X atraviesa el objeto en estudio y la radiación transmitida ingresa a la pantalla o película luminiscente. La imagen aparece debido al hecho de que diferentes partes del objeto en estudio absorben la radiación de diferentes maneras, según el grosor de la sustancia y su composición. En los detectores con pantalla luminiscente, la energía de los rayos X se convierte en una imagen directamente observable, mientras que en la radiografía se registra en una emulsión sensible y solo se puede observar después de que se haya revelado la película. El segundo tipo de detectores incluye una amplia variedad de dispositivos en los que la energía de los rayos X se convierte en señales eléctricas que caracterizan la intensidad relativa de la radiación. Estos incluyen cámaras de ionización, un contador Geiger, un contador proporcional, un contador de centelleo y algunos detectores especiales basados en sulfuro y seleniuro de cadmio. Actualmente, los contadores de centelleo pueden considerarse los detectores más eficientes, que funcionan bien en un amplio rango de energía.
ver también DETECTORES DE PARTÍCULAS. El detector se selecciona teniendo en cuenta las condiciones del problema. Por ejemplo, si es necesario medir con precisión la intensidad de la radiación de rayos X difractada, entonces se utilizan contadores que permiten realizar mediciones con una precisión de fracciones de un porcentaje. Si es necesario registrar muchos haces difractados, es recomendable utilizar película de rayos X, aunque en este caso es imposible determinar la intensidad con la misma precisión.
DEFECTOSCOPIA DE RAYOS X Y GAMMA
Una de las aplicaciones más comunes de los rayos X en la industria es el control de calidad de los materiales y la detección de fallas. El método de rayos X no es destructivo, por lo que el material que se está probando, si se encuentra que cumple con los requisitos requeridos, puede usarse para el propósito previsto. Tanto la detección de rayos X como la gamma se basan en el poder de penetración de los rayos X y las características de su absorción en los materiales. El poder de penetración está determinado por la energía de los fotones de rayos X, que depende del voltaje de aceleración en el tubo de rayos X. Por lo tanto, muestras gruesas y muestras de metales pesados, como el oro y el uranio, requieren una fuente de rayos X con un voltaje más alto para su estudio, y para muestras delgadas, una fuente con un voltaje más bajo es suficiente. Para la detección de fallas de rayos gamma de fundiciones muy grandes y productos laminados grandes, se utilizan betatrones y aceleradores lineales, que aceleran partículas a energías de 25 MeV y más. La absorción de rayos X en un material depende del espesor del absorbente d y del coeficiente de absorción m y está determinada por la fórmula I = I0e-md, donde I es la intensidad de la radiación transmitida a través del absorbente, I0 es la intensidad de la radiación incidente, y e = 2.718 es la base de los logaritmos naturales. Para un material dado, a una determinada longitud de onda (o energía) de rayos X, el coeficiente de absorción es una constante. Pero la radiación de una fuente de rayos X no es monocromática, sino que contiene un amplio espectro de longitudes de onda, por lo que la absorción en el mismo espesor del absorbedor depende de la longitud de onda (frecuencia) de la radiación. La radiación de rayos X es ampliamente utilizada en todas las industrias asociadas con el procesamiento de metales por presión. También se utiliza para probar cañones de artillería, alimentos, plásticos, para probar dispositivos y sistemas complejos en ingeniería electrónica. (La neutronografía, que usa haces de neutrones en lugar de rayos X, se usa para fines similares). Los rayos X también se usan para otros fines, como examinar pinturas para determinar su autenticidad o detectar capas adicionales de pintura encima de la capa principal. .
DIFRACCIÓN DE RAYOS X
La difracción de rayos X proporciona información importante sobre los sólidos, su estructura atómica y forma de cristal, así como sobre los líquidos, los cuerpos amorfos y las moléculas grandes. El método de difracción también se usa para la determinación precisa (con un error de menos de 10-5) de distancias interatómicas, detección de tensiones y defectos, y para determinar la orientación de monocristales. El patrón de difracción puede identificar materiales desconocidos, así como detectar la presencia de impurezas en la muestra y determinarlas. Difícilmente se puede sobreestimar la importancia del método de difracción de rayos X para el progreso de la física moderna, ya que la comprensión moderna de las propiedades de la materia se basa en última instancia en datos sobre la disposición de los átomos en varios compuestos químicos, sobre la naturaleza de los enlaces entre ellos, y sobre defectos estructurales. La principal herramienta para obtener esta información es el método de difracción de rayos X. La cristalografía de difracción de rayos X es esencial para determinar las estructuras de moléculas grandes y complejas, como las del ácido desoxirribonucleico (ADN), el material genético de los organismos vivos. Inmediatamente después del descubrimiento de la radiación de rayos X, el interés científico y médico se concentró tanto en la capacidad de esta radiación para penetrar a través de los cuerpos como en su naturaleza. Los experimentos sobre la difracción de rayos X en rendijas y rejillas de difracción mostraron que pertenece a la radiación electromagnética y tiene una longitud de onda del orden de 10-8-10-9 cm Incluso antes, los científicos, en particular W. Barlow, supusieron que la forma regular y simétrica de los cristales naturales se debe a la disposición ordenada de los átomos que forman el cristal. En algunos casos, Barlow pudo predecir correctamente la estructura de un cristal. El valor de las distancias interatómicas predichas fue de 10-8 cm El hecho de que las distancias interatómicas resultaran ser del orden de la longitud de onda de los rayos X hizo posible en principio observar su difracción. El resultado fue la idea de uno de los experimentos más importantes de la historia de la física. M. Laue organizó una prueba experimental de esta idea, que fue realizada por sus colegas W. Friedrich y P. Knipping. En 1912, los tres publicaron su trabajo sobre los resultados de la difracción de rayos X. Principios de la difracción de rayos X. Para comprender el fenómeno de la difracción de rayos X, se debe considerar en orden: en primer lugar, el espectro de rayos X, en segundo lugar, la naturaleza de la estructura cristalina y, en tercer lugar, el fenómeno de la difracción en sí. Como se mencionó anteriormente, la radiación de rayos X característica consiste en una serie de líneas espectrales de un alto grado de monocromaticidad, determinadas por el material del ánodo. Con la ayuda de filtros, puedes seleccionar el más intenso de ellos. Por lo tanto, eligiendo el material del ánodo de forma adecuada, es posible obtener una fuente de radiación casi monocromática con un valor de longitud de onda definido con mucha precisión. Las longitudes de onda de la radiación característica suelen oscilar entre 2,285 para el cromo y 0,558 para la plata (los valores de los distintos elementos se conocen con seis cifras significativas). El espectro característico se superpone a un espectro "blanco" continuo de mucha menor intensidad, debido a la desaceleración de los electrones incidentes en el ánodo. Por lo tanto, se pueden obtener dos tipos de radiación de cada ánodo: característica y bremsstrahlung, cada una de las cuales juega un papel importante a su manera. Los átomos en la estructura cristalina están ubicados a intervalos regulares, formando una secuencia de celdas idénticas: una red espacial. Algunas redes (por ejemplo, para la mayoría de los metales ordinarios) son bastante simples, mientras que otras (por ejemplo, para moléculas de proteína) son bastante complejas. La estructura cristalina se caracteriza por lo siguiente: si uno se desplaza de un punto dado de una celda al punto correspondiente de la celda vecina, se encontrará exactamente el mismo entorno atómico. Y si algún átomo está ubicado en uno u otro punto de una celda, entonces el mismo átomo estará ubicado en el punto equivalente de cualquier celda vecina. Este principio es estrictamente válido para un cristal perfecto, idealmente ordenado. Sin embargo, muchos cristales (por ejemplo, soluciones sólidas metálicas) están desordenados hasta cierto punto; lugares cristalográficamente equivalentes pueden estar ocupados por diferentes átomos. En estos casos, no es la posición de cada átomo lo que se determina, sino sólo la posición de un átomo "promediada estadísticamente" sobre un gran número de partículas (o células). El fenómeno de la difracción se analiza en el artículo ÓPTICA y el lector puede consultar este artículo antes de continuar. Muestra que si las ondas (por ejemplo, el sonido, la luz, los rayos X) pasan a través de una pequeña rendija o un agujero, este último puede considerarse como una fuente secundaria de ondas, y la imagen de la rendija o el agujero consiste en luz alterna. y rayas oscuras. Además, si existe una estructura periódica de agujeros o ranuras, entonces, como resultado de la interferencia amplificadora y atenuante de los rayos provenientes de diferentes agujeros, surge un claro patrón de difracción. La difracción de rayos X es un fenómeno de dispersión colectiva en el que los átomos dispuestos periódicamente de la estructura cristalina desempeñan el papel de agujeros y centros de dispersión. La amplificación mutua de sus imágenes en ciertos ángulos da un patrón de difracción similar al que resultaría de la difracción de la luz en una rejilla de difracción tridimensional. La dispersión ocurre debido a la interacción de la radiación de rayos X incidente con los electrones en el cristal. Debido al hecho de que la longitud de onda de la radiación de rayos X es del mismo orden que las dimensiones del átomo, la longitud de onda de la radiación de rayos X dispersada es la misma que la del incidente. Este proceso es el resultado de oscilaciones forzadas de electrones bajo la acción de los rayos X incidentes. Considere ahora un átomo con una nube de electrones enlazados (rodeando el núcleo) sobre los cuales inciden los rayos X. Los electrones en todas las direcciones dispersan simultáneamente el incidente y emiten su propia radiación de rayos X de la misma longitud de onda, aunque de diferente intensidad. La intensidad de la radiación dispersada está relacionada con el número atómico del elemento, ya que el número atómico es igual al número de electrones orbitales que pueden participar en la dispersión. (Esta dependencia de la intensidad del número atómico del elemento dispersor y de la dirección en la que se mide la intensidad se caracteriza por el factor de dispersión atómica, que juega un papel extremadamente importante en el análisis de la estructura de los cristales). elija en la estructura cristalina una cadena lineal de átomos ubicados a la misma distancia entre sí, y considere su patrón de difracción. Ya se ha señalado que el espectro de rayos X consta de una parte continua ("continuum") y un conjunto de líneas más intensas características del elemento que es el material del ánodo. Digamos que filtramos el espectro continuo y obtuvimos un haz de rayos X casi monocromático dirigido a nuestra cadena lineal de átomos. La condición de amplificación (interferencia amplificadora) se cumple si la diferencia entre las trayectorias de las ondas dispersadas por los átomos vecinos es un múltiplo de la longitud de onda. Si el haz incide con un ángulo a0 en una línea de átomos separados por intervalos a (período), entonces para el ángulo de difracción a la diferencia de camino correspondiente a la ganancia se escribirá como a(cos a - cosa0) = hl, donde l es la longitud de onda y h es un número entero (Fig. 4 y 5).
Para extender este enfoque a un cristal tridimensional, solo es necesario elegir filas de átomos en otras dos direcciones en el cristal y resolver las tres ecuaciones así obtenidas conjuntamente para tres ejes de cristal con períodos a, b y c. Las otras dos ecuaciones son
Estas son las tres ecuaciones fundamentales de Laue para la difracción de rayos X, siendo los números h, k y c los índices de Miller para el plano de difracción.
ver también CRISTALES Y CRISTALOGRAFÍA. Considerando cualquiera de las ecuaciones de Laue, por ejemplo la primera, se puede notar que dado que a, a0, l son constantes, y h = 0, 1, 2, ..., su solución se puede representar como un conjunto de conos con un eje común a (Fig. . 5). Lo mismo es cierto para las direcciones b y c. En el caso general de dispersión tridimensional (difracción), las tres ecuaciones de Laue deben tener una solución común, es decir tres conos de difracción ubicados en cada uno de los ejes deben cruzarse; la línea común de intersección se muestra en la fig. 6. La solución conjunta de las ecuaciones conduce a la ley de Bragg-Wulf:
l = 2(d/n)sinq, donde d es la distancia entre los planos con índices h, k y c (período), n = 1, 2, ... son números enteros (orden de difracción), y q es el ángulo formado por el haz incidente (así como por la difracción) con el plano del cristal en el que se produce la difracción. Analizando la ecuación de la ley de Bragg - Wolfe para un solo cristal ubicado en el camino de un haz de rayos X monocromático, podemos concluir que la difracción no es fácil de observar, porque l y q son fijos, y senq MÉTODOS DE ANÁLISIS DE DIFRACCIÓN
método de Laue. El método de Laue utiliza un espectro "blanco" continuo de rayos X, que se dirige a un monocristal estacionario. Para un valor específico del período d, la longitud de onda correspondiente a la condición de Bragg-Wulf se selecciona automáticamente de todo el espectro. Los patrones de Laue obtenidos de esta manera permiten juzgar las direcciones de los haces difractados y, en consecuencia, las orientaciones de los planos del cristal, lo que también permite sacar importantes conclusiones sobre la simetría, la orientación del cristal y la presencia. de defectos en ella. En este caso, sin embargo, se pierde información sobre el período espacial d. En la fig. 7 muestra un ejemplo de un Lauegram. La película de rayos X estaba ubicada en el lado del cristal opuesto al que incidía el haz de rayos X desde la fuente.
Método Debye-Scherrer (para muestras policristalinas). A diferencia del método anterior, aquí se utiliza radiación monocromática (l = const), y se varía el ángulo q. Esto se consigue utilizando una muestra policristalina formada por numerosos pequeños cristalitos de orientación aleatoria, entre los que se encuentran aquellos que cumplen la condición de Bragg-Wulf. Los haces difractados forman conos, cuyo eje se dirige a lo largo del haz de rayos X. Para obtener imágenes, generalmente se usa una tira estrecha de película de rayos X en un casete cilíndrico, y los rayos X se propagan a lo largo del diámetro a través de orificios en la película. El debyegram obtenido de esta manera (Fig. 8) contiene información exacta sobre el período d, es decir sobre la estructura del cristal, pero no da la información que contiene el Lauegram. Por lo tanto, ambos métodos se complementan. Consideremos algunas aplicaciones del método Debye-Scherrer.
Identificación de elementos y compuestos químicos. A partir del ángulo q determinado a partir del Debyegrama, se puede calcular la distancia interplanar d característica de un elemento o compuesto dado. En la actualidad se han compilado muchas tablas de valores d, que permiten identificar no solo uno u otro elemento o compuesto químico, sino también varios estados de fase de una misma sustancia, lo que no siempre da un análisis químico. También es posible determinar el contenido del segundo componente en aleaciones de sustitución con alta precisión a partir de la dependencia del período d de la concentración.
Analisis de ESTRES. A partir de la diferencia medida en los espacios interplanares para diferentes direcciones en los cristales, conociendo el módulo de elasticidad del material, es posible calcular pequeñas tensiones con gran precisión.
Estudios de orientación preferencial en cristales. Si los pequeños cristalitos en una muestra policristalina no están completamente orientados al azar, entonces los anillos en el Debyegram tendrán diferentes intensidades. En presencia de una orientación preferida pronunciada, los máximos de intensidad se concentran en puntos individuales de la imagen, que se vuelve similar a la imagen de un solo cristal. Por ejemplo, durante el laminado en frío profundo, una lámina de metal adquiere una textura, una orientación pronunciada de los cristalitos. Según el debaygrama, se puede juzgar la naturaleza del trabajo en frío del material.
Estudio de tamaños de grano. Si el tamaño de grano del policristal es superior a 10-3 cm, las líneas en el Debyegram consistirán en puntos separados, ya que en este caso el número de cristalitos no es suficiente para cubrir todo el rango de valores de los ángulos. q. Si el tamaño del cristalito es inferior a 10-5 cm, las líneas de difracción se ensanchan. Su ancho es inversamente proporcional al tamaño de los cristalitos. El ensanchamiento ocurre por la misma razón que una disminución en el número de rendijas reduce la resolución de una rejilla de difracción. La radiación de rayos X permite determinar tamaños de grano en el rango de 10-7-10-6 cm.
Métodos para monocristales. Para que la difracción de un cristal brinde información no solo sobre el período espacial, sino también sobre la orientación de cada conjunto de planos de difracción, se utilizan métodos de un solo cristal giratorio. Un haz de rayos X monocromático incide sobre el cristal. El cristal gira alrededor del eje principal, por lo que se cumplen las ecuaciones de Laue. En este caso, cambia el ángulo q, que está incluido en la fórmula de Bragg-Wulf. Los máximos de difracción se encuentran en la intersección de los conos de difracción de Laue con la superficie cilíndrica de la película (Fig. 9). El resultado es un patrón de difracción del tipo que se muestra en la Fig. 10. Sin embargo, las complicaciones son posibles debido a la superposición de diferentes órdenes de difracción en un punto. El método se puede mejorar significativamente si, simultáneamente con la rotación del cristal, la película también se mueve de cierta manera.
Estudios de líquidos y gases. Se sabe que los líquidos, gases y cuerpos amorfos no tienen la estructura cristalina correcta. Pero aquí también hay un enlace químico entre los átomos de las moléculas, por lo que la distancia entre ellos permanece casi constante, aunque las moléculas mismas están orientadas al azar en el espacio. Dichos materiales también dan un patrón de difracción con un número relativamente pequeño de máximos difuminados. El procesamiento de una imagen de este tipo con métodos modernos permite obtener información sobre la estructura incluso de estos materiales no cristalinos.
ANÁLISIS ESPECTROQUÍMICO DE RAYOS X
Unos años después del descubrimiento de los rayos X, Ch. Barkla (1877-1944) descubrió que cuando un flujo de rayos X de alta energía actúa sobre una sustancia, se genera una radiación de rayos X fluorescente secundaria, característica del elemento. bajo estudio Poco tiempo después, G. Moseley, en una serie de sus experimentos, midió las longitudes de onda de la radiación de rayos X característica primaria obtenida por bombardeo electrónico de varios elementos, y dedujo la relación entre la longitud de onda y el número atómico. Estos experimentos, y la invención de Bragg del espectrómetro de rayos X, sentaron las bases para el análisis espectroquímico de rayos X. Inmediatamente se reconocieron las posibilidades de los rayos X para el análisis químico. Se crearon espectrógrafos con registro en una placa fotográfica, en la que la muestra en estudio sirvió como ánodo de un tubo de rayos X. Desafortunadamente, esta técnica resultó ser muy laboriosa y, por lo tanto, se usó solo cuando los métodos habituales de análisis químico no eran aplicables. Un ejemplo destacado de investigación innovadora en el campo de la espectroscopia analítica de rayos X fue el descubrimiento en 1923 por G. Hevesy y D. Coster de un nuevo elemento, el hafnio. El desarrollo de tubos de rayos X de alta potencia para radiografía y detectores sensibles para mediciones radioquímicas durante la Segunda Guerra Mundial contribuyó en gran medida al rápido crecimiento de la espectrografía de rayos X en los años siguientes. Este método se ha generalizado debido a la rapidez, la comodidad, la naturaleza no destructiva del análisis y la posibilidad de automatización total o parcial. Es aplicable en los problemas de análisis cuantitativo y cualitativo de todos los elementos con número atómico mayor a 11 (sodio). Y aunque el análisis espectroquímico de rayos X suele utilizarse para determinar los componentes críticos de una muestra (entre 0,1 y 100 %), en algunos casos es adecuado para concentraciones de 0,005 % e incluso inferiores.
espectrómetro de rayos X. Un espectrómetro de rayos X moderno consta de tres sistemas principales (Fig. 11): sistemas de excitación, es decir, tubo de rayos X con un ánodo de tungsteno u otro material refractario y una fuente de alimentación; sistemas de análisis, es decir, un cristal analizador con dos colimadores de ranuras múltiples, así como un espectrogoniómetro para ajuste fino; y sistemas de registro con contador Geiger o proporcional o de centelleo, así como un rectificador, amplificador, contadores y un registrador gráfico u otro dispositivo de registro.
Análisis de fluorescencia de rayos X. La muestra analizada se encuentra en el camino de los excitantes rayos X. La región de la muestra a examinar se suele aislar mediante una máscara con un orificio del diámetro deseado, y la radiación pasa a través de un colimador que forma un haz paralelo. Detrás del cristal del analizador, un colimador de hendidura emite radiación difractada para el detector. Por lo general, el ángulo máximo q está limitado a 80–85°, de modo que solo los rayos X cuya longitud de onda l está relacionada con la distancia interplanar d por la desigualdad l pueden difractar en el cristal del analizador. Microanálisis de rayos X. El espectrómetro de cristal analizador plano descrito anteriormente se puede adaptar para microanálisis. Esto se logra restringiendo el haz de rayos X primario o el haz secundario emitido por la muestra. Sin embargo, una disminución en el tamaño efectivo de la muestra o de la apertura de radiación conduce a una disminución en la intensidad de la radiación difractada registrada. Se puede lograr una mejora de este método utilizando un espectrómetro de cristal curvo, que permite registrar un cono de radiación divergente, y no solo radiación paralela al eje del colimador. Con un espectrómetro de este tipo, se pueden identificar partículas de menos de 25 µm. Se logra una reducción aún mayor en el tamaño de la muestra analizada en el microanalizador de sonda de electrones de rayos X inventado por R. Kasten. Aquí, la emisión de rayos X característica de la muestra es excitada por un haz de electrones altamente enfocado, que luego es analizado por un espectrómetro de cristal doblado. Con un dispositivo de este tipo, es posible detectar cantidades de una sustancia del orden de 10 a 14 g en una muestra con un diámetro de 1 μm. También se han desarrollado instalaciones con haz de electrones de barrido de la muestra, con cuya ayuda es posible obtener un patrón bidimensional de la distribución sobre la muestra del elemento cuya radiación característica se sintoniza con el espectrómetro.
DIAGNÓSTICO MÉDICO DE RAYOS X
El desarrollo de la tecnología de rayos X ha reducido significativamente el tiempo de exposición y ha mejorado la calidad de las imágenes, lo que permite examinar incluso los tejidos blandos.
fluorografía. Este método de diagnóstico consiste en fotografiar una imagen de sombra desde una pantalla translúcida. El paciente se coloca entre una fuente de rayos X y una pantalla plana de fósforo (generalmente yoduro de cesio), que brilla cuando se expone a los rayos X. Los tejidos biológicos de diversos grados de densidad crean sombras de radiación de rayos X con diversos grados de intensidad. Un radiólogo examina una imagen de sombra en una pantalla fluorescente y hace un diagnóstico. En el pasado, un radiólogo dependía de la visión para analizar una imagen. Ahora existen varios sistemas que amplifican la imagen, la muestran en una pantalla de televisión o registran datos en la memoria de la computadora.
Radiografía. La grabación de una imagen de rayos X directamente en una película fotográfica se llama radiografía. En este caso, el órgano objeto de estudio se sitúa entre la fuente de rayos X y la película, que capta información sobre el estado del órgano en un momento dado. La radiografía repetida permite juzgar su evolución posterior. La radiografía le permite examinar con mucha precisión la integridad del tejido óseo, que consiste principalmente en calcio y es opaco a los rayos X, así como las rupturas del tejido muscular. Con su ayuda, mejor que un estetoscopio o la escucha, se analiza el estado de los pulmones en caso de inflamación, tuberculosis o presencia de líquido. Con la ayuda de la radiografía, se determina el tamaño y la forma del corazón, así como la dinámica de sus cambios en pacientes que padecen enfermedades cardíacas.
agentes de contraste Las partes del cuerpo y las cavidades de los órganos individuales que son transparentes a la radiación de rayos X se vuelven visibles si se llenan con un agente de contraste que es inofensivo para el cuerpo, pero que permite visualizar la forma de los órganos internos y verificar su funcionamiento. El paciente toma agentes de contraste por vía oral (como las sales de bario en el estudio del tracto gastrointestinal), o se administran por vía intravenosa (como las soluciones que contienen yodo en el estudio de los riñones y las vías urinarias). En los últimos años, sin embargo, estos métodos han sido suplantados por métodos de diagnóstico basados en el uso de átomos radiactivos y ultrasonidos.
tomografía computarizada En la década de 1970, se desarrolló un nuevo método de diagnóstico por rayos X, basado en una fotografía completa del cuerpo o de sus partes. Las imágenes de capas delgadas ("rebanadas") son procesadas por una computadora y la imagen final se muestra en la pantalla del monitor. Este método se llama tomografía computarizada de rayos X. Es ampliamente utilizado en la medicina moderna para el diagnóstico de infiltrados, tumores y otros trastornos cerebrales, así como para el diagnóstico de enfermedades de los tejidos blandos del interior del cuerpo. Esta técnica no requiere la introducción de agentes de contraste extraños y, por lo tanto, es más rápida y eficaz que las técnicas tradicionales.
ACCIÓN BIOLÓGICA DE LA RADIACIÓN DE RAYOS X
El efecto biológico dañino de la radiación de rayos X fue descubierto poco después de su descubrimiento por Roentgen. Resultó que la nueva radiación puede causar algo así como una quemadura solar severa (eritema), acompañada, sin embargo, por un daño más profundo y permanente en la piel. Las úlceras que aparecían a menudo se convertían en cáncer. En muchos casos, hubo que amputar dedos o manos. También hubo muertes. Se ha encontrado que las lesiones de la piel pueden evitarse reduciendo el tiempo de exposición y la dosis, usando protección (por ejemplo, plomo) y controles remotos. Pero gradualmente se revelaron otros efectos a más largo plazo de la exposición a los rayos X, que luego se confirmaron y estudiaron en animales de experimentación. Los efectos debidos a la acción de los rayos X, así como de otras radiaciones ionizantes (como la radiación gamma emitida por materiales radiactivos) incluyen: 1) cambios temporales en la composición de la sangre después de un exceso de exposición relativamente pequeño; 2) cambios irreversibles en la composición de la sangre (anemia hemolítica) después de una exposición excesiva prolongada; 3) un aumento en la incidencia de cáncer (incluida la leucemia); 4) envejecimiento más rápido y muerte prematura; 5) la aparición de cataratas. Además, los experimentos biológicos en ratones, conejos y moscas (Drosophila) han demostrado que incluso pequeñas dosis de irradiación sistemática de grandes poblaciones, debido a un aumento en la tasa de mutación, provocan efectos genéticos nocivos. La mayoría de los genetistas reconocen la aplicabilidad de estos datos al cuerpo humano. En cuanto al efecto biológico de la radiación de rayos X en el cuerpo humano, está determinado por el nivel de la dosis de radiación, así como por qué órgano particular del cuerpo estuvo expuesto a la radiación. Así, por ejemplo, las enfermedades de la sangre son causadas por la irradiación de los órganos hematopoyéticos, principalmente la médula ósea, y las consecuencias genéticas, por la irradiación de los órganos genitales, que también pueden conducir a la esterilidad. La acumulación de conocimientos sobre los efectos de la radiación de rayos X en el cuerpo humano ha llevado al desarrollo de estándares nacionales e internacionales para las dosis de radiación permisibles, publicados en varias publicaciones de referencia. Además de los rayos X, que son utilizados a propósito por los humanos, también existe la llamada radiación espuria dispersa que se produce por varias razones, por ejemplo, debido a la dispersión debido a la imperfección de la pantalla protectora de plomo, que no absorber completamente esta radiación. Además, muchos dispositivos eléctricos que no están diseñados para producir rayos X generan rayos X como subproducto. Dichos dispositivos incluyen microscopios electrónicos, lámparas rectificadoras de alto voltaje (kenotrones), así como cinescopios de televisores en color obsoletos. La producción de cinescopios en color modernos en muchos países está ahora bajo el control del gobierno.
FACTORES PELIGROSOS DE LA RADIACIÓN DE RAYOS X
Los tipos y el grado de peligro de la exposición a los rayos X para las personas dependen del contingente de personas expuestas a la radiación.
Profesionales que trabajan con equipos de rayos x. Esta categoría incluye radiólogos, dentistas, así como trabajadores científicos y técnicos y personal de mantenimiento y uso de equipos de rayos X. Se están tomando medidas efectivas para reducir los niveles de radiación con los que tienen que lidiar.
Pacientes. No hay criterios estrictos aquí, y el nivel seguro de radiación que los pacientes reciben durante el tratamiento lo determinan los médicos tratantes. Se aconseja a los médicos que no expongan innecesariamente a los pacientes a los rayos X. Se debe tener especial precaución al examinar a mujeres embarazadas y niños. En este caso, se toman medidas especiales.
Métodos de control. Hay tres aspectos en esto:
1) disponibilidad de equipo adecuado, 2) cumplimiento de las normas de seguridad, 3) uso adecuado del equipo. En un examen de rayos X, solo el área deseada debe exponerse a la radiación, ya sea exámenes dentales o exámenes de pulmón. Tenga en cuenta que inmediatamente después de apagar el aparato de rayos X, tanto la radiación primaria como la secundaria desaparecen; tampoco hay radiación residual, que no siempre es conocida incluso por aquellos que están directamente relacionados con ella en su trabajo.
ver también
ESTRUCTURA DEL ÁTOMO;
La radiología es una sección de radiología que estudia los efectos de la radiación de rayos X en el cuerpo de animales y humanos derivados de esta enfermedad, su tratamiento y prevención, así como los métodos para diagnosticar diversas patologías mediante rayos X (diagnóstico de rayos X) . Un aparato típico de diagnóstico por rayos X incluye una fuente de alimentación (transformadores), un rectificador de alto voltaje que convierte la corriente alterna de la red eléctrica en corriente continua, un panel de control, un trípode y un tubo de rayos X.
Los rayos X son un tipo de oscilaciones electromagnéticas que se forman en un tubo de rayos X durante una fuerte desaceleración de electrones acelerados en el momento de su colisión con los átomos de la sustancia del ánodo. En la actualidad, generalmente se acepta el punto de vista de que los rayos X, por su naturaleza física, son uno de los tipos de energía radiante, cuyo espectro también incluye ondas de radio, rayos infrarrojos, luz visible, rayos ultravioleta y rayos gamma de elementos radiactivos. La radiación de rayos X se puede caracterizar como una colección de sus partículas más pequeñas: cuantos o fotones.
Arroz. 1 - máquina de rayos X móvil:
A - tubo de rayos x;
B - fuente de alimentación;
B - trípode ajustable.
Arroz. 2 - Panel de control de la máquina de rayos X (mecánico - a la izquierda y electrónico - a la derecha): A - panel para ajustar la exposición y la dureza;
B - botón de alimentación de alta tensión.
Arroz. 3 es un diagrama de bloques de una máquina de rayos X típica 1 - red;
2 - autotransformador;
3 - transformador elevador;
4 - tubo de rayos x;
5 - ánodo;
6 - cátodo;
7 - transformador reductor.
Mecanismo de generación de rayos X.
Los rayos X se forman en el momento de la colisión de una corriente de electrones acelerados con el material del ánodo. Cuando los electrones interactúan con un objetivo, el 99 % de su energía cinética se convierte en energía térmica y solo el 1 % en rayos X.
Un tubo de rayos X consta de un recipiente de vidrio en el que se sueldan 2 electrodos: un cátodo y un ánodo. Se bombea aire fuera del cilindro de vidrio: el movimiento de electrones del cátodo al ánodo solo es posible en condiciones de vacío relativo (10 -7 -10 -8 mm Hg). En el cátodo hay un filamento, que es un filamento de tungsteno fuertemente retorcido. Cuando se aplica una corriente eléctrica al filamento, se produce la emisión de electrones, en la que los electrones se separan de la espiral y forman una nube de electrones cerca del cátodo. Esta nube se concentra en la copa de enfoque del cátodo, que establece la dirección del movimiento de los electrones. Copa: una pequeña depresión en el cátodo. El ánodo, a su vez, contiene una placa de metal de tungsteno en la que se concentran los electrones; este es el sitio de formación de rayos X.
Arroz. 4 - Dispositivo de tubo de rayos X: A - cátodo; 
B - ánodo;
B - filamento de tungsteno;
G - copa de enfoque del cátodo;
D - flujo de electrones acelerados;
E - objetivo de tungsteno;
G - matraz de vidrio;
З - una ventana de berilio;
Y - rayos X formados;
K - filtro de aluminio.
2 transformadores están conectados al tubo de electrones: reductor y elevador. Un transformador reductor calienta el filamento de tungsteno con un voltaje bajo (5-15 voltios), lo que da como resultado la emisión de electrones. Un transformador elevador, o de alto voltaje, va directamente al cátodo y al ánodo, que reciben un voltaje de 20 a 140 kilovoltios. Ambos transformadores se colocan en el bloque de alta tensión de la máquina de rayos X, que se llena con aceite de transformador, que proporciona refrigeración a los transformadores y su aislamiento fiable.
Una vez que se ha formado una nube de electrones con la ayuda de un transformador reductor, se enciende el transformador elevador y se aplica voltaje de alto voltaje a ambos polos del circuito eléctrico: un pulso positivo al ánodo y un pulso negativo. pulso al cátodo. Los electrones cargados negativamente son repelidos de un cátodo cargado negativamente y tienden a un ánodo cargado positivamente; debido a tal diferencia de potencial, se logra una alta velocidad de movimiento: 100 mil km / s. A esta velocidad, los electrones bombardean la placa del ánodo de tungsteno, completando un circuito eléctrico, lo que genera rayos X y energía térmica.
La radiación de rayos X se subdivide en bremsstrahlung y característica. Bremsstrahlung se produce debido a una fuerte desaceleración de la velocidad de los electrones emitidos por un filamento de tungsteno. La radiación característica se produce en el momento de la reorganización de las capas de electrones de los átomos. Ambos tipos se forman en un tubo de rayos X en el momento de la colisión de electrones acelerados con átomos del material del ánodo. El espectro de emisión de un tubo de rayos X es una superposición de bremsstrahlung y rayos X característicos.
Arroz. 5 - el principio de la formación de rayos X bremsstrahlung.
Arroz. 6 - el principio de formación de los rayos x característicos.
Propiedades básicas de los rayos X.
- Los rayos X son invisibles a la percepción visual.
- La radiación de rayos X tiene un gran poder de penetración a través de los órganos y tejidos de un organismo vivo, así como estructuras densas de naturaleza inanimada, que no transmiten rayos de luz visible.
- Los rayos X hacen que ciertos compuestos químicos brillen, llamados fluorescencia.
- Los sulfuros de zinc y cadmio emiten fluorescencia amarillo-verde,
- Cristales de tungstato de calcio - violeta-azul.
Escala de oscilaciones electromagnéticas
Los rayos X tienen una longitud de onda y una frecuencia de oscilación específicas. La longitud de onda (λ) y la frecuencia de oscilación (ν) están relacionadas por la relación: λ ν = c, donde c es la velocidad de la luz, redondeada a 300 000 km por segundo. La energía de los rayos X está determinada por la fórmula E = h ν, donde h es la constante de Planck, una constante universal igual a 6,626 10 -34 J⋅s. La longitud de onda de los rayos (λ) está relacionada con su energía (E) por la relación: λ = 12,4 / E.
La radiación de rayos X difiere de otros tipos de oscilaciones electromagnéticas en longitud de onda (ver tabla) y energía cuántica. Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es su frecuencia, energía y poder de penetración. La longitud de onda de los rayos X está en el rango
. Al cambiar la longitud de onda de la radiación de rayos X, es posible controlar su poder de penetración. Los rayos X tienen una longitud de onda muy corta, pero una alta frecuencia de oscilación, por lo que son invisibles para el ojo humano. Debido a su enorme energía, los cuantos tienen un gran poder de penetración, que es una de las principales propiedades que aseguran el uso de los rayos X en medicina y otras ciencias.características de rayos x
Intensidad- característica cuantitativa de la radiación de rayos X, que se expresa por el número de rayos emitidos por el tubo por unidad de tiempo. La intensidad de los rayos X se mide en miliamperios. Comparándolo con la intensidad de la luz visible de una lámpara incandescente convencional, podemos hacer una analogía: por ejemplo, una lámpara de 20 vatios brillará con una intensidad o potencia, y una lámpara de 200 vatios brillará con otra, mientras que la la calidad de la luz en sí (su espectro) es la misma. La intensidad de la radiación de rayos X es, de hecho, su cantidad. Cada electrón crea uno o más cuantos de radiación en el ánodo, por lo tanto, la cantidad de rayos X durante la exposición del objeto se regula cambiando el número de electrones que tienden al ánodo y el número de interacciones de los electrones con los átomos del objetivo de tungsteno. , que se puede realizar de dos formas:
- Cambiando el grado de incandescencia de la espiral del cátodo usando un transformador reductor (la cantidad de electrones generados durante la emisión dependerá de qué tan caliente esté la espiral de tungsteno, y la cantidad de cuantos de radiación dependerá de la cantidad de electrones);
- Al cambiar el valor del alto voltaje suministrado por el transformador elevador a los polos del tubo: el cátodo y el ánodo (cuanto mayor sea el voltaje que se aplica a los polos del tubo, más energía cinética reciben los electrones, lo que , debido a su energía, puede interactuar a su vez con varios átomos de la sustancia del ánodo - ver Fig. arroz. 5; electrones con baja energía podrán entrar en un menor número de interacciones).
La intensidad de los rayos X (corriente del ánodo) multiplicada por la velocidad de obturación (tiempo del tubo) corresponde a la exposición a los rayos X, que se mide en mAs (miliamperios por segundo). La exposición es un parámetro que, al igual que la intensidad, caracteriza la cantidad de rayos emitidos por un tubo de rayos X. La única diferencia es que la exposición también tiene en cuenta el tiempo de funcionamiento del tubo (por ejemplo, si el tubo funciona durante 0,01 s, el número de rayos será uno, y si 0,02 s, el número de rayos será diferente - dos veces más). La exposición a la radiación la establece el radiólogo en el panel de control de la máquina de rayos X, según el tipo de estudio, el tamaño del objeto en estudio y la tarea de diagnóstico.
Rigidez- característica cualitativa de la radiación de rayos x. Se mide por el alto voltaje en el tubo, en kilovoltios. Determina el poder de penetración de los rayos X. Está regulado por el alto voltaje suministrado al tubo de rayos X por un transformador elevador. Cuanto mayor sea la diferencia de potencial que se crea en los electrodos del tubo, más fuerza repelen los electrones del cátodo y corren hacia el ánodo, y más fuerte es su colisión con el ánodo. Cuanto más fuerte sea su colisión, más corta será la longitud de onda de la radiación de rayos X resultante y mayor será el poder de penetración de esta onda (o la dureza de la radiación, que, como la intensidad, se regula en el panel de control por el parámetro de voltaje en el tubo - kilovoltaje).
λ - longitud de onda; 
Arroz. 7 - Dependencia de la longitud de onda de la energía de la onda:
E - energía de onda 
Arroz. 8 - La relación entre el voltaje en el tubo de rayos X y la longitud de onda de la radiación de rayos X resultante:
Clasificación de los tubos de rayos X.
- Con cita
- Diagnóstico
- Terapéutico
- Para análisis estructural
- para transiluminación
- Por diseño
- por enfoque
- Foco único (una espiral en el cátodo y un punto focal en el ánodo)
- Bifocal (dos espirales de diferentes tamaños en el cátodo y dos puntos focales en el ánodo)
- Por tipo de ánodo
- Estacionario (fijo)
- Giratorio
Los rayos X se utilizan no solo con fines de radiodiagnóstico, sino también con fines terapéuticos. Como se indicó anteriormente, la capacidad de la radiación de rayos X para suprimir el crecimiento de células tumorales hace posible su uso en la radioterapia de enfermedades oncológicas. Además del campo de aplicación médico, la radiación de rayos X ha encontrado una amplia aplicación en el campo de la ingeniería y la técnica, la ciencia de los materiales, la cristalografía, la química y la bioquímica: por ejemplo, es posible identificar defectos estructurales en varios productos (rieles, soldaduras , etc.) usando radiación de rayos X. El tipo de tal investigación se llama defectoscopia. Y en aeropuertos, estaciones de tren y otros lugares concurridos, los introscopios de televisión de rayos X se utilizan activamente para escanear equipaje de mano y equipaje con fines de seguridad.
Dependiendo del tipo de ánodo, los tubos de rayos X difieren en diseño. Debido al hecho de que el 99% de la energía cinética de los electrones se convierte en energía térmica, durante el funcionamiento del tubo, el ánodo se calienta significativamente; el objetivo de tungsteno sensible a menudo se quema. El ánodo se enfría en los tubos de rayos X modernos haciéndolo girar. El ánodo giratorio tiene forma de disco, que distribuye el calor uniformemente por toda su superficie, evitando el sobrecalentamiento local del blanco de tungsteno.
El diseño de los tubos de rayos X también difiere en el enfoque. Punto focal: la sección del ánodo en la que se genera el haz de rayos X de trabajo. Se subdivide en foco real y foco efectivo ( arroz. 12). Debido al ángulo del ánodo, el punto focal efectivo es más pequeño que el real. Se utilizan diferentes tamaños de puntos focales según el tamaño del área de la imagen. Cuanto mayor sea el área de la imagen, más ancho debe ser el punto focal para cubrir toda el área de la imagen. Sin embargo, un punto focal más pequeño produce una mejor claridad de imagen. Por lo tanto, cuando se producen imágenes pequeñas, se usa un filamento corto y los electrones se dirigen a un área pequeña del objetivo del ánodo, creando un punto focal más pequeño.
Arroz. 9 - tubo de rayos X con un ánodo estacionario.
Arroz. 10 - Tubo de rayos X con ánodo giratorio.
Arroz. 11 - Dispositivo de tubo de rayos X con ánodo giratorio.
Arroz. 12 es un diagrama de la formación de un punto focal real y efectivo.
CONFERENCIA
RADIACIÓN DE RAYOS X
2. Bremsstrahlung rayos X, sus propiedades espectrales.
3. Radiación característica de rayos X (para revisión).
4. Interacción de la radiación de rayos X con la materia.
5.Bases físicas para el uso de rayos X en medicina.
Los rayos X (X - rayos) fueron descubiertos por K. Roentgen, quien en 1895 se convirtió en el primer premio Nobel de física.
1. La naturaleza de los rayos X.
radiación de rayos x - ondas electromagnéticas con una longitud de 80 a 10 -5 nm. La radiación de rayos X de onda larga está bloqueada por la radiación UV de onda corta, la onda corta, por la radiación g de onda larga.
Los rayos X se producen en tubos de rayos X. Figura 1.
K - cátodo
1 - haz de electrones
2 - radiación de rayos X
Arroz. 1. Dispositivo de tubo de rayos X.
El tubo es un matraz de vidrio (con un posible alto vacío: la presión en él es de unos 10 -6 mm Hg) con dos electrodos: ánodo A y cátodo K, a los que se les aplica un alto voltaje.
tu (varios miles de voltios). El cátodo es una fuente de electrones (debido al fenómeno de emisión termoiónica). El ánodo es una barra de metal que tiene una superficie inclinada para dirigir la radiación de rayos X resultante en un ángulo con el eje del tubo. Está hecho de un material altamente conductor de calor para eliminar el calor generado durante el bombardeo de electrones. En el extremo biselado hay una placa de metal refractario (por ejemplo, tungsteno).El fuerte calentamiento del ánodo se debe al hecho de que la mayoría de los electrones en el haz del cátodo, al golpear el ánodo, experimentan numerosas colisiones con los átomos de la sustancia y les transfieren una gran cantidad de energía.
Bajo la acción de alto voltaje, los electrones emitidos por el filamento de cátodo caliente se aceleran a altas energías. La energía cinética de un electrón es
mv 2 /2. Es igual a la energía que adquiere al moverse en el campo electrostático del tubo:mv 2 /2 = UE(1)
donde m , e son la masa y la carga del electrón, tu es el voltaje de aceleración.
Los procesos que conducen a la aparición de rayos X de bremsstrahlung se deben a la intensa desaceleración de los electrones en el material del ánodo por el campo electrostático del núcleo atómico y los electrones atómicos.
El mecanismo de origen se puede representar de la siguiente manera. Los electrones en movimiento son algún tipo de corriente que forma su propio campo magnético. La desaceleración de electrones es una disminución en la intensidad de la corriente y, en consecuencia, un cambio en la inducción del campo magnético, lo que provocará la aparición de un campo eléctrico alterno, es decir, aparición de una onda electromagnética.
Por lo tanto, cuando una partícula cargada vuela hacia la materia, disminuye su velocidad, pierde su energía y velocidad y emite ondas electromagnéticas.
2. Propiedades espectrales de la bremsstrahlung de rayos X .
Entonces, en el caso de la desaceleración de electrones en el material del ánodo, radiación bremsstrahlung.
El espectro de bremsstrahlung es continuo. . La razón de esto es la siguiente.
Cuando los electrones se ralentizan, cada uno de ellos tiene una parte de la energía utilizada para calentar el ánodo (E 1 =
q ), la otra parte para crear un fotón de rayos X (E 2 = hv ), de lo contrario, eU = hv + Q . La relación entre estas partes es aleatoria.Por lo tanto, se forma un espectro continuo de rayos X de bremsstrahlung debido a la desaceleración de muchos electrones, cada uno de los cuales emite un cuanto de rayos X.
hv(h ) de un valor estrictamente definido. El valor de este cuanto diferente para diferentes electrones. Dependencia del flujo de energía de rayos X de la longitud de onda yo , es decir. el espectro de rayos X se muestra en la Fig.2. |
Figura 2. Espectro de Bremsstrahlung: a) a diferentes voltajes
tu en el tubo; b) a diferentes temperaturas T del cátodo.La radiación de onda corta (dura) tiene un mayor poder de penetración que la radiación de onda larga (suave). La radiación suave es más fuertemente absorbida por la materia.
Desde el lado de las longitudes de onda cortas, el espectro termina abruptamente en una determinada longitud de onda.
l m i n . Tal bremsstrahlung de longitud de onda corta ocurre cuando la energía adquirida por un electrón en un campo acelerado se convierte completamente en energía fotónica ( Q = 0):eU = hv max = hc/ l min , l min = hc/(eU), (2)
l min (nm) = 1,23 / U kV
La composición espectral de la radiación depende del voltaje en el tubo de rayos X, al aumentar el voltaje, el valor
l m i n se desplaza hacia longitudes de onda cortas (Fig. 2 a).Cuando cambia la temperatura T de la incandescencia del cátodo, aumenta la emisión de electrones. Por lo tanto, la corriente aumenta
yo en el tubo, pero la composición espectral de la radiación no cambia (Fig. 2b).Flujo de energía Ф * bremsstrahlung es directamente proporcional al cuadrado de la tensión tu entre el ánodo y el cátodo, intensidad de corriente yo en tubo y número atómico Materiales del ánodo Z:
F \u003d kZU 2 I. (3)
donde k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
3. Radiografías características (para familiarizarse).
El aumento del voltaje en el tubo de rayos X conduce al hecho de que, en el contexto de un espectro continuo, aparece una línea que corresponde a la radiación de rayos X característica. Esta radiación es específica del material del ánodo.
El mecanismo de su aparición es el siguiente. A un alto voltaje, los electrones acelerados (con alta energía) penetran profundamente en el átomo y eliminan los electrones de sus capas internas. Los electrones de los niveles superiores pasan a lugares libres, como resultado de lo cual se emiten fotones de radiación característica.
Los espectros de radiación de rayos X característicos difieren de los espectros ópticos.
- Uniformidad.
La uniformidad de los espectros característicos se debe al hecho de que las capas internas de electrones de diferentes átomos son las mismas y difieren solo energéticamente debido al efecto de fuerza de los núcleos, que aumenta con el aumento del número elemental. Por lo tanto, los espectros característicos se desplazan hacia frecuencias más altas a medida que aumenta la carga nuclear. Esto fue confirmado experimentalmente por un empleado de Roentgen - mosley, que midió las frecuencias de transición de rayos X de 33 elementos. Hicieron la ley.
LEY DE MOSELY – la raíz cuadrada de la frecuencia de la radiación característica es una función lineal del número ordinal del elemento:
A × (Z-B), (4)
donde v es la frecuencia de la línea espectral, Z es el número atómico del elemento emisor. A, B son constantes.
La importancia de la ley de Moseley radica en el hecho de que esta dependencia se puede utilizar para determinar con precisión el número atómico del elemento en estudio a partir de la frecuencia medida de la línea de rayos X. Esto jugó un papel importante en la ubicación de los elementos en la tabla periódica.
– Independencia de un compuesto químico.
Los espectros de rayos X característicos de un átomo no dependen del compuesto químico en el que entra el átomo del elemento. Por ejemplo, el espectro de rayos X de un átomo de oxígeno es el mismo para O 2, H 2 O, mientras que los espectros ópticos de estos compuestos difieren. Esta característica del espectro de rayos X del átomo fue la base del nombre " radiación característica".
4. Interacción de la radiación de rayos X con la materia
El impacto de la radiación de rayos X en los objetos está determinado por los procesos primarios de interacción de rayos X. fotón con electronesátomos y moléculas de la materia.
Radiación de rayos X en la materia. absorbido o se disipa. En este caso, pueden ocurrir varios procesos, que están determinados por la relación de la energía del fotón de rayos X
hv y energía de ionización A y (energía de ionización A y - la energía requerida para eliminar los electrones internos del átomo o molécula).a) Dispersión coherente(dispersión de radiación de onda larga) ocurre cuando la relación
hv< А и.
Para los fotones, debido a la interacción con los electrones, solo cambia la dirección del movimiento (Fig. 3a), pero la energía
hv y la longitud de onda no cambia (de ahí que esta dispersión se llame coherente). Dado que las energías de un fotón y un átomo no cambian, la dispersión coherente no afecta a los objetos biológicos, pero al crear protección contra la radiación de rayos X, se debe tener en cuenta la posibilidad de cambiar la dirección principal del haz.b) efecto fotoeléctrico sucede cuando
hv ³ A y .
En este caso, se pueden realizar dos casos.
1. El fotón se absorbe, el electrón se separa del átomo (Fig. 3b). Se produce la ionización. El electrón separado adquiere energía cinética: E k \u003d hv - A y . Si la energía cinética es grande, entonces el electrón puede ionizar los átomos vecinos por colisión, formando otros nuevos. secundario electrones
2. El fotón es absorbido, pero su energía no es suficiente para desprender el electrón, y excitación de un átomo o molécula(Figura 3c). Esto a menudo conduce a la posterior emisión de un fotón en la región de radiación visible (luminiscencia de rayos X) y en los tejidos, a la activación de moléculas y reacciones fotoquímicas. El efecto fotoeléctrico ocurre principalmente en los electrones de las capas internas de los átomos con alta z
en) Dispersión incoherente(Efecto Compton, 1922) ocurre cuando la energía del fotón es mucho mayor que la energía de ionización
hv » A y.
En este caso, el electrón se separa del átomo (estos electrones se denominan electrones de retroceso), adquiere algo de energía cinética
E a , la energía del propio fotón disminuye (Fig. 4d):hv=hv" + A y + E K. (5)
La radiación resultante con una frecuencia (longitud) cambiada se llama secundario, se dispersa en todas direcciones.
Los electrones de retroceso, si tienen suficiente energía cinética, pueden ionizar átomos vecinos por colisión. Así, como resultado de la dispersión incoherente, se forma radiación de rayos X dispersada secundaria y los átomos de la sustancia se ionizan.
Estos procesos (a, b, c) pueden causar una serie de procesos posteriores. Por ejemplo (Fig. 3d), si durante el efecto fotoeléctrico se desprenden electrones del átomo en las capas internas, en su lugar pueden pasar electrones de niveles superiores, lo que va acompañado de una radiación de rayos X característica secundaria de esta sustancia. Los fotones de radiación secundaria, al interactuar con los electrones de los átomos vecinos, pueden, a su vez, causar fenómenos secundarios.
dispersión coherente
hv< А И
| |
efecto fotoeléctrico
fotón es absorbido, e - separado del átomo - ionización
hv \u003d A y + E a
átomo A excitado por la absorción de un fotón, R – Luminiscencia de rayos X
dispersión incoherente
hv » A y
hv \u003d hv "+ A y + E para
procesos secundarios en el efecto fotoeléctrico
 |
Arroz. 3 Mecanismos de interacción de los rayos X con la materia
Base física para el uso de rayos X en medicina
Cuando los rayos X caen sobre un cuerpo, se reflejan ligeramente desde su superficie, pero principalmente pasan profundamente, mientras que se absorben y dispersan parcialmente, y lo atraviesan parcialmente.
La ley del debilitamiento.
El flujo de rayos X se atenúa en la materia según la ley:
F \u003d F 0 e - m × x (6)
donde m – lineal factor de atenuación, que depende esencialmente de la densidad de la sustancia. Es igual a la suma de tres términos correspondientes a la dispersión coherente m 1, incoherente m 2 y efecto fotoeléctrico m 3:
metro \u003d metro 1 + metro 2 + metro 3. (7)
La contribución de cada término está determinada por la energía del fotón. A continuación se muestran las proporciones de estos procesos para los tejidos blandos (agua).
Energía, keV | efecto fotoeléctrico | Compton - efecto |
| 100 % |
disfrutar coeficiente de atenuación de masa, que no depende de la densidad de la sustancia r:
metro metro = metro / r . (ocho)
El coeficiente de atenuación de masa depende de la energía del fotón y del número atómico de la sustancia absorbente:
metro metro = k l 3 Z 3 . (9)
Coeficientes de atenuación de masa de hueso y tejido blando (agua) diferir de: m m huesos / m m agua = 68.
Si se coloca un cuerpo no homogéneo en el camino de los rayos X y se coloca una pantalla fluorescente frente a él, entonces este cuerpo, absorbiendo y atenuando la radiación, forma una sombra en la pantalla. Por la naturaleza de esta sombra, se puede juzgar la forma, la densidad, la estructura y, en muchos casos, la naturaleza de los cuerpos. Aquellos. una diferencia significativa en la absorción de la radiación de rayos X por diferentes tejidos le permite ver la imagen de los órganos internos en la proyección de la sombra.
Si el órgano bajo estudio y los tejidos circundantes atenúan igualmente los rayos X, entonces se usan agentes de contraste. Entonces, por ejemplo, llenar el estómago y los intestinos con una masa blanda de sulfato de bario ( BaS 0 4), puede ver su imagen de sombra (la relación de los coeficientes de atenuación es 354).
Uso en medicina.
En medicina, la radiación de rayos X con energía fotónica de 60 a 100-120 keV se usa para diagnóstico y 150-200 keV para terapia.
diagnóstico por rayos X – Reconocimiento de enfermedades mediante la transiluminación del cuerpo con rayos X.
El diagnóstico por rayos X se utiliza en varias opciones, que se detallan a continuación.
 |
1. con fluoroscopia el tubo de rayos X se encuentra detrás del paciente. Enfrente hay una pantalla fluorescente. Hay una imagen de sombra (positiva) en la pantalla. En cada caso individual, se selecciona la dureza adecuada de la radiación para que atraviese los tejidos blandos, pero sea suficientemente absorbida por los densos. De lo contrario, se obtiene una sombra uniforme. En la pantalla, el corazón, las costillas se ven oscuros, los pulmones son claros.
2. Cuando la radiografía el objeto se coloca en un casete, que contiene una película con una emulsión fotográfica especial. El tubo de rayos X se coloca sobre el objeto. La radiografía resultante da una imagen negativa, es decir lo contrario en contraste con la imagen observada durante la transiluminación. En este método hay una mayor nitidez de la imagen que en (1), por lo que se observan detalles que son difíciles de ver cuando se transilumina.
Una variante prometedora de este método es la radiografía. tomografía y "versión de máquina" - computadora tomografía.
3. con fluoroscopia, En una película sensible de formato pequeño, la imagen de la pantalla grande es fija. Cuando se ven, las imágenes se examinan con una lupa especial.
terapia de rayos x - el uso de rayos X para destruir tumores malignos.
El efecto biológico de la radiación es interrumpir la actividad vital, especialmente las células que se multiplican rápidamente.
TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA (TC)
El método de tomografía computarizada de rayos X se basa en la reconstrucción de imágenes.de una determinada sección del cuerpo del paciente mediante el registro de un gran número de proyecciones de rayos X de esta sección, realizadas en diferentes ángulos. La información de los sensores que registran estas proyecciones ingresa a la computadora, la cual, de acuerdo con un programa especial calcula distribución apretado tamaño de la muestraen la sección investigada y lo muestra en la pantalla de visualización. La imagen resultantesección del cuerpo del paciente se caracteriza por una excelente claridad y alto contenido de información. El programa te permiteaumentar contraste de imagen en decenas e incluso cientos de veces. Esto amplía las capacidades de diagnóstico del método.
Videógrafos (dispositivos con procesamiento digital de imágenes de rayos X) en la odontología moderna.
En odontología, el examen de rayos X es el principal método de diagnóstico. Sin embargo, una serie de características organizativas y técnicas tradicionales del diagnóstico por rayos X hacen que no sea muy cómodo tanto para el paciente como para las clínicas dentales. Esta es, en primer lugar, la necesidad de que el paciente entre en contacto con la radiación ionizante, que a menudo crea una carga de radiación significativa en el cuerpo, también es la necesidad de un fotoproceso y, en consecuencia, la necesidad de fotorreactivos, incluidos los tóxicos. Esto es, finalmente, un archivo voluminoso, carpetas pesadas y sobres con películas de rayos X.
Además, el actual nivel de desarrollo de la odontología hace insuficiente la valoración subjetiva de las radiografías por parte del ojo humano. Al final resultó que, de la variedad de tonos de gris contenidos en la imagen de rayos X, el ojo percibe solo 64.
Obviamente, para obtener una imagen clara y detallada de los tejidos duros del sistema dentoalveolar con una mínima exposición a la radiación, se necesitan otras soluciones. La búsqueda condujo a la creación de los llamados sistemas radiográficos, videógrafos: sistemas de radiografía digital.
Sin detalles técnicos, el principio de funcionamiento de tales sistemas es el siguiente. La radiación de rayos X ingresa a través del objeto no en una película fotosensible, sino en un sensor intraoral especial (matriz electrónica especial). La señal correspondiente de la matriz se transmite a un dispositivo de digitalización (convertidor analógico a digital, ADC) que la convierte en forma digital y se conecta a la computadora. Un software especial crea una imagen de rayos X en la pantalla de la computadora y le permite procesarla, guardarla en un medio de almacenamiento duro o flexible (disco duro, disquetes), imprimirla como una imagen como un archivo.
En un sistema digital, una imagen de rayos X es una colección de puntos que tienen diferentes valores digitales de escala de grises. La optimización de la visualización de la información que proporciona el programa permite obtener un encuadre óptimo en términos de brillo y contraste con una dosis de radiación relativamente baja.
En los sistemas modernos creados, por ejemplo, por empresas Trofeo (Francia) o Schick (EE. UU.) Al formar un marco, se utilizan 4096 tonos de gris, el tiempo de exposición depende del objeto de estudio y, en promedio, es de centésimas - décimas de segundo, reducción de la exposición a la radiación en relación con la película: hasta un 90% para sistemas intraorales, hasta un 70% para videógrafos panorámicos.
Al procesar imágenes, los videógrafos permiten:
1. Obtenga imágenes positivas y negativas, imágenes en falso color, imágenes en relieve.
2. Aumenta el contraste y magnifica el área de interés de la imagen.
3. Evalúe los cambios en la densidad de los tejidos dentales y las estructuras óseas, controle la uniformidad del relleno del canal.
4. en endodoncia para determinar la longitud del canal de cualquier curvatura, y en cirugía para seleccionar el tamaño del implante con una precisión de 0,1 mm.
5. Sistema único detector de caries con elementos de inteligencia artificial en el análisis del cuadro permite detectar caries en etapa de mancha, caries de raíz y caries ocultas.
* « Ф" en la fórmula (3) se refiere a todo el rango de longitudes de onda emitidas y a menudo se lo denomina "Flujo de energía integral".
Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética de alta energía. Se usa activamente en varias ramas de la medicina.
Los rayos X son ondas electromagnéticas cuya energía fotónica en la escala de las ondas electromagnéticas se encuentra entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma (de ~10 eV a ~1 MeV), que corresponde a longitudes de onda de ~10^3 a ~10^−2 angstroms ( de ~10^−7 a ~10^−12 m). Es decir, es una radiación incomparablemente más dura que la luz visible, que se encuentra en esta escala entre los rayos ultravioleta e infrarrojos ("térmicos").
El límite entre los rayos X y la radiación gamma se distingue condicionalmente: sus rangos se cruzan, los rayos gamma pueden tener una energía de 1 keV. Difieren en su origen: los rayos gamma se emiten durante los procesos que ocurren en los núcleos atómicos, mientras que los rayos X se emiten durante los procesos que involucran a los electrones (tanto los libres como los que se encuentran en las capas electrónicas de los átomos). Al mismo tiempo, es imposible determinar a partir del propio fotón durante qué proceso surgió, es decir, la división en los rangos de rayos X y gamma es en gran medida arbitraria.
El rango de rayos X se divide en "rayos X blandos" y "duros". El límite entre ellos se encuentra en el nivel de longitud de onda de 2 angstroms y 6 keV de energía.
El generador de rayos X es un tubo en el que se crea un vacío. Hay electrodos: un cátodo, al que se le aplica una carga negativa, y un ánodo con carga positiva. El voltaje entre ellos es de decenas a cientos de kilovoltios. La generación de fotones de rayos X ocurre cuando los electrones se “desprenden” del cátodo y chocan contra la superficie del ánodo a alta velocidad. La radiación de rayos X resultante se llama "bremsstrahlung", sus fotones tienen diferentes longitudes de onda.
Al mismo tiempo, se generan fotones del espectro característico. Parte de los electrones en los átomos de la sustancia del ánodo se excita, es decir, va a órbitas más altas y luego vuelve a su estado normal, emitiendo fotones de cierta longitud de onda. Ambos tipos de rayos X se producen en un generador estándar.
Historial de descubrimiento
El 8 de noviembre de 1895, el científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen descubrió que algunas sustancias bajo la influencia de los "rayos catódicos", es decir, el flujo de electrones generado por un tubo de rayos catódicos, comienzan a brillar. Explicó este fenómeno por la influencia de ciertos rayos X, por lo que ("rayos X") esta radiación ahora se llama en muchos idiomas. Más tarde, V. K. Roentgen estudió el fenómeno que había descubierto. El 22 de diciembre de 1895 dio una conferencia sobre este tema en la Universidad de Würzburg.
Más tarde resultó que la radiación de rayos X se había observado antes, pero luego no se le dio mucha importancia a los fenómenos asociados con ella. El tubo de rayos catódicos se inventó hace mucho tiempo, pero antes de que V.K. Rayos X, nadie prestó mucha atención al ennegrecimiento de las placas fotográficas cerca de él, etc. fenómenos. También se desconocía el peligro que representaba la radiación penetrante.
Tipos y su efecto en el cuerpo.
Los "rayos X" son el tipo más leve de radiación penetrante. La sobreexposición a los rayos X suaves es similar a la exposición ultravioleta, pero en una forma más severa. Se forma una quemadura en la piel, pero la lesión es más profunda y sana mucho más lentamente.
Los rayos X duros son una radiación ionizante en toda regla que puede provocar la enfermedad por radiación. Los cuantos de rayos X pueden romper las moléculas de proteína que componen los tejidos del cuerpo humano, así como las moléculas de ADN del genoma. Pero incluso si un cuanto de rayos X rompe una molécula de agua, no importa: se forman radicales libres H y OH químicamente activos, que son capaces de actuar sobre las proteínas y el ADN. La enfermedad por radiación avanza en una forma más severa, cuanto más se ven afectados los órganos hematopoyéticos.
Los rayos X tienen actividad mutagénica y cancerígena. Esto significa que aumenta la probabilidad de mutaciones espontáneas en las células durante la irradiación y, a veces, las células sanas pueden degenerar en cancerosas. El aumento de la probabilidad de tumores malignos es una consecuencia estándar de cualquier exposición, incluidas las radiografías. Los rayos X son el tipo menos peligroso de radiación penetrante, pero aún pueden ser peligrosos.
Radiación de rayos X: aplicación y funcionamiento
La radiación de rayos X se utiliza en medicina, así como en otras áreas de la actividad humana.
Fluoroscopia y tomografía computarizada
El uso más común de los rayos X es la fluoroscopia. El "silencio" del cuerpo humano le permite obtener una imagen detallada tanto de los huesos (son más claramente visibles) como de las imágenes de los órganos internos.
La diferente transparencia de los tejidos corporales en los rayos X está asociada con su composición química. Las características de la estructura de los huesos es que contienen mucho calcio y fósforo. Otros tejidos están compuestos principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. El átomo de fósforo es casi el doble de pesado que el átomo de oxígeno, y el átomo de calcio es 2,5 veces (el carbono, el nitrógeno y el hidrógeno son incluso más ligeros que el oxígeno). En este sentido, la absorción de fotones de rayos X en los huesos es mucho mayor.
Además de las "imágenes" bidimensionales, la radiografía permite crear una imagen tridimensional de un órgano: este tipo de radiografía se denomina tomografía computarizada. Para estos fines, se utilizan rayos X blandos. La cantidad de exposición recibida en una sola imagen es pequeña: es aproximadamente igual a la exposición recibida durante un vuelo de 2 horas en un avión a una altitud de 10 km.
La detección de fallas por rayos X le permite detectar pequeños defectos internos en los productos. Para ello se utilizan rayos X duros, ya que muchos materiales (metal, por ejemplo) son poco "translúcidos" debido a la alta masa atómica de su sustancia constituyente.
Difracción de rayos X y análisis de fluorescencia de rayos X
Los rayos X tienen propiedades que les permiten examinar átomos individuales en detalle. El análisis de difracción de rayos X se usa activamente en química (incluida la bioquímica) y cristalografía. El principio de su funcionamiento es la dispersión por difracción de rayos X por átomos de cristales o moléculas complejas. Usando análisis de difracción de rayos X, se determinó la estructura de la molécula de ADN.
El análisis de fluorescencia de rayos X le permite determinar rápidamente la composición química de una sustancia.
Hay muchas formas de radioterapia, pero todas involucran el uso de radiación ionizante. La radioterapia se divide en 2 tipos: corpuscular y ondulatoria. Corpuscular utiliza flujos de partículas alfa (núcleos de átomos de helio), partículas beta (electrones), neutrones, protones, iones pesados. Wave utiliza rayos del espectro electromagnético: rayos X y gamma.
Los métodos de radioterapia se utilizan principalmente para el tratamiento de enfermedades oncológicas. El hecho es que la radiación afecta principalmente a las células que se dividen activamente, por lo que los órganos hematopoyéticos sufren de esta manera (sus células se dividen constantemente, produciendo más y más glóbulos rojos). Las células cancerosas también se dividen constantemente y son más vulnerables a la radiación que el tejido sano.
Se utiliza un nivel de radiación que suprime la actividad de las células cancerosas, mientras afecta moderadamente a las sanas. Bajo la influencia de la radiación, no es la destrucción de las células como tales, sino el daño a su genoma: las moléculas de ADN. Una célula con un genoma destruido puede existir durante algún tiempo, pero ya no puede dividirse, es decir, el crecimiento del tumor se detiene.
La radioterapia es la forma más leve de radioterapia. La radiación ondulatoria es más suave que la radiación corpuscular y los rayos X son más suaves que la radiación gamma.
Durante el embarazo
Es peligroso usar radiación ionizante durante el embarazo. Los rayos X son mutagénicos y pueden causar anomalías en el feto. La radioterapia es incompatible con el embarazo: solo se puede utilizar si ya se ha decidido abortar. Las restricciones a la fluoroscopia son más suaves, pero en los primeros meses también está estrictamente prohibido.
En caso de emergencia, el examen de rayos X se reemplaza por imágenes de resonancia magnética. Pero en el primer trimestre también intentan evitarlo (este método ha aparecido recientemente, y con absoluta certeza habla de la ausencia de consecuencias nocivas).
Surge un peligro inequívoco cuando se expone a una dosis total de al menos 1 mSv (en unidades antiguas - 100 mR). Con una simple radiografía (por ejemplo, al someterse a una fluorografía), el paciente recibe unas 50 veces menos. Para recibir esa dosis a la vez, debe someterse a una tomografía computarizada detallada.
Es decir, el mero hecho de una "radiografía" de 1-2 veces en una etapa temprana del embarazo no amenaza con consecuencias graves (pero es mejor no arriesgarse).
tratamiento con eso
Los rayos X se utilizan principalmente en la lucha contra los tumores malignos. Este método es bueno porque es muy efectivo: mata el tumor. Es malo porque los tejidos sanos no son mucho mejores, hay numerosos efectos secundarios. Los órganos de la hematopoyesis corren un riesgo particular.
En la práctica, se utilizan varios métodos para reducir el efecto de los rayos X en los tejidos sanos. Los rayos se dirigen en ángulo de tal manera que aparece un tumor en la zona de su intersección (debido a esto, la principal absorción de energía ocurre justo allí). A veces, el procedimiento se realiza en movimiento: el cuerpo del paciente gira en relación con la fuente de radiación alrededor de un eje que pasa a través del tumor. Al mismo tiempo, los tejidos sanos se encuentran en la zona de irradiación solo a veces, y los enfermos, todo el tiempo.
Los rayos X se utilizan en el tratamiento de ciertas artrosis y enfermedades similares, así como en enfermedades de la piel. En este caso, el síndrome de dolor se reduce en un 50-90%. Dado que la radiación que se utiliza en este caso es más suave, no se observan efectos secundarios similares a los que se producen en el tratamiento de tumores.