Otkriće i zasluge u proučavanju osnovnih svojstava rendgenskih zraka s pravom pripadaju njemačkom naučniku Wilhelmu Conradu Roentgenu. Neverovatna svojstva rendgenskih zraka koje je otkrio odmah su dobila ogroman odjek u naučnom svetu. Iako je tada, davne 1895. godine, naučnik teško mogao zamisliti kakvu korist, a ponekad i štetu, rendgensko zračenje može donijeti.

Otkrijmo u ovom članku kako ova vrsta zračenja utječe na ljudsko zdravlje.

Šta je rendgensko zračenje

Prvo pitanje koje je zanimalo istraživača bilo je šta je rendgensko zračenje? Niz eksperimenata omogućio je da se potvrdi da se radi o elektromagnetskom zračenju s talasnom dužinom od 10 -8 cm, koje zauzima srednji položaj između ultraljubičastog i gama zračenja.

Primjena rendgenskih zraka

Svi ovi aspekti destruktivnih efekata misterioznih rendgenskih zraka uopće ne isključuju iznenađujuće opsežne aspekte njihove primjene. Gdje se koristi rendgensko zračenje?

1. Proučavanje strukture molekula i kristala.
2. Rentgenska detekcija grešaka (u industriji, otkrivanje nedostataka u proizvodima).
3. Metode medicinska istraživanja i terapiju.

Najvažnije primjene rendgenskih zraka omogućene su vrlo kratkim valnim dužinama ovih valova i njihovim jedinstvenim svojstvima.

S obzirom da nas zanima učinak rendgenskog zračenja na ljude koji se s njim susreću samo prilikom medicinskog pregleda ili liječenja, onda ćemo dalje razmatrati samo ovo područje primjene rendgenskih zraka.

Primena rendgenskih zraka u medicini

Unatoč posebnom značaju svog otkrića, Rentgen nije patentirao njegovu upotrebu, što ga čini neprocjenjivim darom za cijelo čovječanstvo. Već u Prvom svjetskom ratu počeli su se koristiti rendgenski aparati koji su omogućili brzo i precizno dijagnosticiranje ranjenika. Sada možemo razlikovati dva glavna područja primjene rendgenskih zraka u medicini:

• rendgenska dijagnostika;
• Rentgenska terapija.

Rentgenska dijagnostika

Rentgenska dijagnostika se koristi na različite načine:

Pogledajmo razlike između ovih metoda.

Sve navedene dijagnostičke metode zasnivaju se na sposobnosti rendgenskih zraka da osvjetljavaju fotografski film i na njihovoj različitoj propusnosti za tkiva i koštani skelet.

Rentgenska terapija

Sposobnost rendgenskih zraka da imaju biološki učinak na tkivo koristi se u medicini za liječenje tumora. Jonizujući učinak ovog zračenja najaktivnije se očituje u njegovom djelovanju na stanice koje se brzo dijele, a to su stanice malignih tumora.

Međutim, trebali biste znati i o nuspojave, neizbježno prati radioterapiju. Činjenica je da ćelije hematopoeze, endokrine, imuni sistem. Negativni efekti na njih dovode do znakova radijacijske bolesti.

Utjecaj rendgenskog zračenja na ljude

Ubrzo nakon izvanrednog otkrića rendgenskih zraka, otkriveno je da rendgenski zraci djeluju na ljude.

Ovi podaci su dobiveni iz eksperimenata na eksperimentalnim životinjama, međutim, genetičari sugeriraju da se slične posljedice mogu proširiti i na ljudsko tijelo.

Proučavanje efekata rendgenskog zračenja omogućilo je razvoj međunarodnih standarda za dozvoljene doze zračenje.

Doze rendgenskih zraka tokom rendgenske dijagnostike

Nakon posjete rendgen sali, mnogi pacijenti osjećaju zabrinutost kako će primljena doza zračenja utjecati na njihovo zdravlje?

Doza ukupnog zračenja tijela ovisi o prirodi izvedenog zahvata. Radi praktičnosti, uporedit ćemo primljenu dozu s prirodnim zračenjem, koje prati osobu tijekom cijelog života.

1. rendgenski snimak: prsa- primljena doza zračenja je ekvivalentna 10 dana pozadinskog zračenja; gornji deo stomaka i tanko crijevo - 3 godine.
2. Kompjuterska tomografija organa trbušne duplje i karlice, kao i celo telo - 3 godine.
3. Mamografija - 3 mjeseca.
4. Rendgen ekstremiteta je praktično bezopasan.
5. Što se tiče rendgenskih zraka zuba, doza zračenja je minimalna, jer je pacijent izložen uskom snopu rendgenskih zraka s kratkim trajanjem zračenja.

Ove doze zračenja zadovoljavaju prihvatljive standarde, ali ako pacijent doživi anksioznost prije rendgenskog snimanja, ima pravo zatražiti posebnu zaštitnu pregaču.

Izloženost rendgenskim zracima kod trudnica

Svaka osoba je prinuđena da se više puta podvrgne rendgenskim pregledima. Ali postoji pravilo - ova dijagnostička metoda ne može se prepisivati ​​trudnicama. Embrion u razvoju je izuzetno ranjiv. Rendgenski zraci mogu uzrokovati hromozomske abnormalnosti i, kao rezultat, rađanje djece s nedostacima u razvoju. Najranjiviji period u tom pogledu je trudnoća do 16 sedmica. Štaviše, rendgenski snimci kičme, karlice i abdomena su najopasniji za nerođenu bebu.

Znajući o štetnosti rendgenskog zračenja na trudnoću, ljekari na svaki mogući način izbjegavaju njegovu upotrebu u ovom važnom periodu u životu žene.

Međutim, postoje sporedni izvori rendgenskog zračenja:

• elektronski mikroskopi;
• cijev TV-a u boji itd.

Buduće majke treba da budu svjesne opasnosti koju predstavljaju.

Rendgenska dijagnostika nije opasna za dojilje.

Šta učiniti nakon rendgenskog snimka

Da biste izbjegli čak i minimalne efekte izlaganja rendgenskim zracima, možete poduzeti nekoliko jednostavnih koraka:

• nakon rendgenskog snimanja, popijte čašu mlijeka - uklanja male doze zračenja;
• Veoma je korisno uzeti čašu suhog vina ili soka od grožđa;
• Neko vrijeme nakon zahvata korisno je povećati udio hrane s visokim sadržajem joda (morski plodovi).

Ali ne procedure lečenja ili nisu potrebne posebne mjere za uklanjanje zračenja nakon rendgenskog snimanja!

Unatoč nesumnjivo ozbiljnim posljedicama izlaganja rendgenskim zracima, njihovu opasnost prilikom ljekarskih pregleda ne treba precijeniti - oni se provode samo na određenim dijelovima tijela i to vrlo brzo. Koristi od njih višestruko premašuju rizik od ovog postupka za ljudski organizam.

X-zraci su nevidljivo zračenje koje može prodrijeti, iako u različitom stepenu, u svu materiju. To je elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od oko 10-8 cm.

Poput vidljive svjetlosti, rendgenski zraci uzrokuju da fotografski film postane crn. Ova nekretnina ima bitan za medicinu, industriju i naučno istraživanje. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim padajući na fotografski film, rendgensko zračenje oslikava njegovu unutrašnju strukturu na njemu. Budući da je prodorna moć rendgenskog zračenja različita za različitih materijala, dijelovi objekta koji su za njega manje transparentni proizvode svjetlije dijelove na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. dakle, koštanog tkiva manje prozirne za rendgenske zrake od tkiva koje čine kožu i unutrašnje organe. Stoga će na rendgenskom snimku kosti izgledati kao svjetlija područja, a mjesto prijeloma, koje je transparentnije za zračenje, može se vrlo lako otkriti. Rendgen se također koristi u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, te u industriji za otkrivanje pukotina na odljevcima, plastici i gumama.

X-zrake se koriste u hemiji za analizu jedinjenja i u fizici za proučavanje strukture kristala. Rendgenski snop koji prolazi kroz hemijsko jedinjenje proizvodi karakteristično sekundarno zračenje, čija spektroskopska analiza omogućava hemičaru da odredi sastav jedinjenja. Prilikom pada na kristalnu tvar, snop rendgenskih zraka se raspršuje od strane atoma kristala, dajući jasnu, pravilnu sliku mrlja i pruga na fotografskoj ploči, što omogućava utvrđivanje unutrašnje strukture kristala.

Upotreba rendgenskih zraka u liječenju raka temelji se na činjenici da ubija ćelije raka. Međutim, može imati i neželjene efekte na normalne ćelije. Stoga se pri korištenju rendgenskih zraka na ovaj način mora biti krajnji oprez.

Primanje rendgenskih zraka

Rendgensko zračenje nastaje kada elektroni koji se kreću velikom brzinom stupaju u interakciju s materijom. Kada se elektroni sudare s atomima bilo koje tvari, oni brzo gube svoju kinetičku energiju. U ovom slučaju, većina se pretvara u toplinu, a mali dio, obično manje od 1%, pretvara se u energiju rendgenskih zraka. Ova energija se oslobađa u obliku kvanta – čestica zvanih fotoni, koji imaju energiju, ali čija je masa mirovanja nula. Rentgenski fotoni se razlikuju po svojoj energiji, koja je obrnuto proporcionalna njihovoj talasnoj dužini. Konvencionalna metoda proizvodnje rendgenskih zraka proizvodi širok raspon valnih duljina, koji se naziva rendgenski spektar.

Rendgenske cijevi. Da biste proizveli rendgenske zrake kroz interakciju elektrona sa materijom, trebate imati izvor elektrona, sredstvo za njihovo ubrzanje do velikih brzina i metu koja može izdržati bombardiranje elektrona i proizvoditi rendgenske zrake potrebnog intenziteta. Uređaj koji sadrži sve to naziva se rendgenska cijev. Rani istraživači su koristili “duboko evakuirane” cijevi kao što su moderne cijevi za pražnjenje plina. Vakum u njima nije bio veliki.

Cijevi za pražnjenje sadrže male količine plina, a kada se na elektrode cijevi primjenjuje velika razlika potencijala, atomi plina se pretvaraju u pozitivne i negativne ione. Pozitivni se kreću prema negativnoj elektrodi (katodi) i padajući na nju izbijaju elektrone iz nje, a oni se zauzvrat kreću prema pozitivnoj elektrodi (anodi) i bombardirajući je stvaraju tok rendgenskih fotona. .

U modernoj rendgenskoj cijevi koju je razvio Coolidge (slika 11), izvor elektrona je volframova katoda zagrijana na visoke temperature.

Rice. jedanaest.

Visoka razlika potencijala između anode (ili anti-katode) i katode ubrzava elektrone do velikih brzina. Budući da elektroni moraju doći do anode bez sudara s atomima, neophodan je vrlo visok vakuum, što zahtijeva da cijev bude dobro evakuisana. Ovo također smanjuje vjerovatnoću jonizacije preostalih atoma plina i rezultirajuće bočne struje.

Kada je bombardirana elektronima, volframova antikatoda emituje karakteristično rendgensko zračenje. Poprečni presjek rendgenskog snopa je manji od stvarnog ozračenog područja. 1 - elektronski snop; 2 - katoda sa elektrodom za fokusiranje; 3 - staklena školjka (cijev); 4 - volframova meta (antikatoda); 5 - katodna nit; 6 - stvarna ozračena površina; 7 - efektivna žarišna tačka; 8 - bakarna anoda; 9 - prozor; 10 - rasejano rendgensko zračenje.

Elektroni se fokusiraju na anodu pomoću posebno oblikovane elektrode koja okružuje katodu. Ova elektroda se naziva elektroda za fokusiranje i zajedno sa katodom čini "elektronski reflektor" cijevi. Anoda podvrgnuta bombardovanju elektrona mora biti izrađena od vatrostalnog materijala, jer se većina kinetičke energije bombardirajućih elektrona pretvara u toplinu. Osim toga, poželjno je da anoda bude izrađena od materijala sa visokim atomskim brojem, jer Prinos rendgenskih zraka raste sa povećanjem atomskog broja. Materijal anode koji se najčešće bira je volfram, čiji je atomski broj 74. Dizajn rendgenskih cijevi može varirati ovisno o uvjetima korištenja i zahtjevima.

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE RF

DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA

VISOKO STRUČNO OBRAZOVANJE

MOSKVSKI DRŽAVNI INSTITUT ZA ČELIK I LEGURE

(TEHNOLOŠKI UNIVERZITET)

NOVOTROITSKY BRANCH

Odjel za OED

KURSNI RAD

Disciplina: fizika

Tema: RTG ZRAČENJE

Student: Nedorezova N.A.

Grupa: EiU-2004-25, br. Z.K.: 04N036

Provjerio: Ozhegova S.M.

Uvod

Poglavlje 1. Otkriće rendgenskih zraka

1.1 Biografija Roentgena Wilhelma Conrada

1.2 Otkriće rendgenskih zraka

Poglavlje 2. Rendgensko zračenje

2.1 Izvori rendgenskih zraka

2.2 Svojstva rendgenskih zraka

2.3 Detekcija rendgenskih zraka

2.4 Upotreba rendgenskih zraka

Poglavlje 3. Primena rendgenskih zraka u metalurgiji

3.1 Analiza nesavršenosti kristalne strukture

3.2 Spektralna analiza

Zaključak

Spisak korištenih izvora

Prijave

Uvod

To je bila rijetka osoba koja nije prošla kroz rendgensku salu. Rendgenske slike su svima poznate. 1995. obilježena je stota godišnjica ovog otkrića. Teško je zamisliti ogromno interesovanje koje je izazvalo pre jednog veka. U rukama čovjeka nalazila se naprava uz pomoć koje je bilo moguće vidjeti nevidljivo.

Ovo nevidljivo zračenje, sposobno da prodre, iako u različitom stepenu, u sve supstance, koje predstavlja elektromagnetno zračenje talasne dužine od oko 10-8 cm, nazvano je rendgenskim zračenjem, u čast Vilhelma Rentgena, koji ga je otkrio.

Poput vidljive svjetlosti, rendgenski zraci uzrokuju da fotografski film postane crn. Ova nekretnina je važna za medicinu, industriju i naučna istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim padajući na fotografski film, rendgensko zračenje oslikava njegovu unutrašnju strukturu na njemu. Budući da je penetraciona moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi objekta koji su za njega manje transparentni proizvode svjetlije dijelove na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Dakle, koštano tkivo je manje transparentno za rendgenske zrake od tkiva koje čini kožu i unutrašnje organe. Stoga će na rendgenskom snimku kosti izgledati kao svjetlija područja, a mjesto prijeloma, koje je manje transparentno za zračenje, može se vrlo lako otkriti. X-zrake se koriste i u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, kao i u industriji za otkrivanje pukotina na odljevcima, plastici i gumi, u hemiji za analizu spojeva i u fizici za proučavanje strukture kristala.

Rentgenovo otkriće pratili su eksperimenti drugih istraživača koji su otkrili mnoga nova svojstva i primjene ovog zračenja. Veliki doprinos dali su M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, koji su 1912. demonstrirali difrakciju rendgenskih zraka koji prolaze kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio rendgensku cijev visokog vakuuma sa zagrijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. godine uspostavio vezu između talasne dužine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Bragg, koji je dobio 1915. god nobelova nagrada za razvoj osnova analize difrakcije rendgenskih zraka.

Svrha ovog kursa je proučavanje fenomena rendgenskog zračenja, istorijat otkrića, svojstva i utvrđivanje obima njegove primjene.

Poglavlje 1. Otkriće rendgenskih zraka

1.1 Biografija Roentgena Wilhelma Conrada

Wilhelm Conrad Roentgen rođen je 17. marta 1845. godine u oblasti Njemačke koja se graniči sa Holandijom, u gradu Lenepe. Tehničko obrazovanje stekao je u Cirihu na istoj Visokoj tehničkoj školi (Polytechnic) gdje je kasnije studirao Ajnštajn. Strast prema fizici primorala ga je da, nakon što je završio školu 1866. godine, nastavi školovanje fizike.

Pošto je 1868. odbranio disertaciju za zvanje doktora filozofije, radio je kao asistent na katedri za fiziku, prvo u Cirihu, zatim u Gissenu, a zatim u Strazburu (1874-1879) kod Kundta. Ovdje je Rentgen prošao dobru eksperimentalnu školu i postao prvoklasni eksperimentator. Roentgen je proveo neka od svojih važnih istraživanja sa svojim učenikom, jednim od osnivača sovjetske fizike A.F. Ioffe.

Naučna istraživanja se odnose na elektromagnetizam, kristalnu fiziku, optiku, molekularnu fiziku.

1895. otkrio je zračenje s talasnom dužinom kraćom od ultraljubičastih zraka (X-zrake), kasnije nazvane X-zrake, i proučavao njihova svojstva: sposobnost da se reflektira, apsorbira, ionizira zrak itd. Predložio je ispravan dizajn cijevi za proizvodnju rendgenskih zraka - nagnutu platinastu antikatodu i konkavnu katodu: bio je prvi koji je fotografirao pomoću rendgenskih zraka. On je 1885. godine otkrio magnetsko polje dielektrika koji se kreće u električnom polju (tzv. “rendgenska struja”). elektronska teorija X. Lorentza. Značajan broj Rentgenovih radova posvećen je proučavanju svojstava tečnosti, gasova, kristala, elektromagnetnih pojava, otkrio je vezu između električnih i optičkih pojava u kristalima. Rentgen je bio prvi među fizičarima koji je dobio Nobelovu nagradu.

Od 1900. do poslednjih dana života (umro 10. februara 1923.) radio je na Univerzitetu u Minhenu.

1.2 Otkriće rendgenskih zraka

Kraj 19. vijeka je obilježeno povećanim interesovanjem za fenomene prolaska električne energije kroz gasove. Faraday je također ozbiljno proučavao ove pojave, opisao različite oblike pražnjenja i otkrio tamni prostor u svjetlećem stupcu razrijeđenog plina. Faradejev tamni prostor odvaja plavičasti, katodni sjaj od ružičastog, anodnog sjaja.

Dalje povećanje razrjeđivanja plina značajno mijenja prirodu sjaja. Matematičar Plücker (1801-1868) otkrio je 1859. godine, u dovoljno jakom vakuumu, slabo plavičasti snop zraka koji je izlazio iz katode, koji je dospio do anode i uzrokovao sjaj stakla cijevi. Plückerov učenik Hittorf (1824-1914) 1869. nastavio je istraživanje svog učitelja i pokazao da se na fluorescentnoj površini cijevi pojavljuje izrazita sjena ako se između katode i ove površine postavi čvrsto tijelo.

Goldstein (1850-1931), proučavajući svojstva zraka, nazvao ih je katodnim zracima (1876). Tri godine kasnije, William Crookes (1832-1919) dokazao je materijalnu prirodu katodnih zraka i nazvao ih "zračećom materijom", supstancom u posebnom četvrtom stanju. Njegovi su dokazi bili uvjerljivi i vizualni demonstrirano u svim učionicama fizike. Skretanje katodnog snopa magnetnim poljem u Crookesovoj cijevi postalo je klasična školska demonstracija.

Međutim, eksperimenti o električnom otklonu katodnih zraka nisu bili tako uvjerljivi. Hertz nije otkrio takvo odstupanje i došao je do zaključka da je katodna zraka oscilatorni proces u eteru. Hercov učenik F. Lenard, eksperimentišući sa katodnim zrakama, pokazao je 1893. da one prolaze kroz prozor prekriven aluminijumskom folijom i izazivaju sjaj u prostoru iza prozora. Herc je svoj posljednji članak, objavljen 1892. godine, posvetio fenomenu prolaska katodnih zraka kroz tanka metalna tijela. Počinjao je riječima:

„Katodne zrake se značajno razlikuju od svjetlosti u pogledu njihove sposobnosti da prodiru u čvrsta tijela, opisujući rezultate eksperimenata na prolasku katodnih zraka kroz listove zlata, srebra, platine, aluminija itd. ne primjećuju nikakve posebne razlike u pojavama Zrake ne prolaze ravno kroz listove, već se raspršuju difrakcijom. Priroda katodnih zraka je još uvijek bila nejasna.

Upravo s ovim cijevima Crookesa, Lenarda i drugih eksperimentirao je würzburški profesor Wilhelm Conrad Roentgen krajem 1895. Jednom, na kraju eksperimenta, prekrivši cijev crnim kartonskim poklopcem, ugasio je svjetlo, ali nije ipak isključivši induktor koji je napajao cijev, primijetio je sjaj ekrana od barijevog sinoksida koji se nalazio blizu cijevi. Pogođen ovom okolnošću, Rentgen je počeo da eksperimentiše sa ekranom. U svom prvom izvještaju “O novoj vrsti zraka” od 28. decembra 1895. napisao je o ovim prvim eksperimentima: “Komče papira obloženog barijum-platin sumpor-dioksidom, kada se približi cijevi prekrivenoj poklopcem od tanak crni karton koji prilično čvrsto pristaje uz njega, pri svakom pražnjenju bljeska jakom svjetlošću: počinje fluorescirati. Fluorescencija je vidljiva kada je dovoljno potamnjena i ne zavisi od toga da li je papir sa strane obložen barijum plavim oksidom ili nije prekriven barijum plavim oksidom. Fluorescencija je uočljiva čak i na udaljenosti od dva metra od cijevi.”

Pažljivo ispitivanje je pokazalo da je Rentgen „proziran ni za vidljive i ultraljubičaste zrake sunca, ni za zrake električnog luka, crni karton, u koji prodire neki agens koji izaziva fluorescenciju. ” koje je nazvao kratkim “rendgenskim zracima”, za razne supstance, otkrio je da zraci slobodno prolaze kroz papir, drvo, tvrdu gumu, tanke slojeve metala, ali ih jako usporava olovo.

Zatim opisuje senzacionalno iskustvo:

“Ako držite ruku između cijevi za pražnjenje i ekrana, možete vidjeti tamne sjene kostiju u slabim obrisima same ruke.” Ovo je također bio prvi fluoroskopski pregled ljudskog tijela prve rendgenske slike nanošenjem na njegovu ruku.

Ove slike su ostavile ogroman utisak; otkriće još nije bilo završeno, a rendgenska dijagnostika je već započela svoj put. „Moja laboratorija je bila preplavljena doktorima koji su dovodili pacijente koji su sumnjali da imaju igle u sebi različitim dijelovima tijela”, napisao je engleski fizičar Šuster.

Već nakon prvih eksperimenata, Roentgen je čvrsto utvrdio da se rendgenske zrake razlikuju od katodnih, ne nose naboj i ne odbijaju ih magnetsko polje, već ih pobuđuju katodne zrake." X-zrake nisu identične katodnim zracima. , ali ih pobuđuju u staklenim stijenkama cijevi za pražnjenje”, napisao je Roentgen.

Takođe je ustanovio da su uzbuđeni ne samo u staklu, već i u metalima.

Nakon što je spomenuo Hertz-Lennardovu hipotezu da su katodne zrake „fenomen koji se javlja u eteru“, Roentgen ističe da „možemo reći nešto slično o našim zracima“. Međutim, on nije bio u stanju da otkrije valne osobine zraka "ponašaju se drugačije od do sada poznatih ultraljubičastih, vidljivih i infracrvenih zraka", prema Roentgenu, oni su slični ultraljubičastim zracima u svojoj prvoj poruci, izneo je pretpostavku ostavljenu kasnije da bi to mogli biti longitudinalni talasi u etru.

Rentgenovo otkriće izazvalo je veliko interesovanje u naučnom svetu. Njegovi eksperimenti su ponovljeni u gotovo svim laboratorijama u svijetu. U Moskvi ih je ponovio P.N. Lebedev. U Sankt Peterburgu je izumitelj radija A.S. Popov je eksperimentisao sa rendgenskim zracima, demonstrirao ih na javnim predavanjima i dobijao razne rendgenske snimke. U Kembridžu D.D. Thomson je odmah iskoristio jonizujući efekat rendgenskih zraka za proučavanje prolaska struje kroz plinove. Njegovo istraživanje dovelo je do otkrića elektrona.

Poglavlje 2. Rendgensko zračenje

Rentgensko zračenje je elektromagnetno jonizujuće zračenje, koje zauzima područje spektra između gama i ultraljubičastog zračenja u talasnim dužinama od 10 -4 do 10 3 (od 10 -12 do 10 -5 cm).R. l. sa talasnom dužinom λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - mekano.

2.1 Izvori rendgenskih zraka

Najčešći izvor rendgenskih zraka je rendgenska cijev - električni usisivač , koji služi kao izvor rendgenskog zračenja. Takvo zračenje nastaje kada se elektroni koje emituje katoda usporavaju i udare u anodu (anti-katoda); u ovom slučaju, energija elektrona ubrzana jakim električnim poljem u prostoru između anode i katode se djelimično pretvara u energiju X zraka. Zračenje rendgenske cijevi je superpozicija kočnog rendgenskog zračenja na karakteristično zračenje anodne tvari. Rentgenske cijevi se razlikuju: po metodi dobivanja protoka elektrona - sa termoionskom (zagrijanom) katodom, emisionom poljskom (vrhom) katodom, katodom bombardiranom pozitivnim jonima i sa radioaktivnim (β) izvorom elektrona; po vakuumskoj metodi - zapečaćeno, rastavljivo; po vremenu zračenja - kontinuirano, impulsno; po tipu anodnog hlađenja - vodenim, uljnim, vazdušnim, radijacionim hlađenjem; po veličini fokusa (oblast zračenja na anodi) - makrofokalni, oštri fokus i mikrofokus; prema obliku - prstenasti, okrugli, linijski oblik; prema metodi fokusiranja elektrona na anodu - sa elektrostatičkim, magnetskim, elektromagnetnim fokusiranjem.

Rendgenske cijevi se koriste u rendgenskoj strukturnoj analizi (Dodatak 1), rendgenska spektralna analiza, detekcija grešaka (Prilog 1), rendgenska dijagnostika (Dodatak 1), Rentgenska terapija , rendgenska mikroskopija i mikroradiografiju. Najširu upotrebu u svim oblastima imaju zatvorene rendgenske cijevi sa termoionskom katodom, vodom hlađenom anodom i elektrostatičkim sistemom fokusiranja elektrona (Dodatak 2). Termionička katoda rendgenskih cijevi je obično spiralna ili ravna niti od volframove žice, zagrijavana električnom strujom. Radni dio anode - površina metalnog ogledala - nalazi se okomito ili pod određenim kutom u odnosu na protok elektrona. Za dobijanje kontinuiranog spektra visokoenergetskog i rendgenskog zračenja visokog intenziteta koriste se anode od Au i W; u strukturnoj analizi koriste se rendgenske cijevi sa anodama od Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag.

Glavne karakteristike rendgenskih cijevi su maksimalni dozvoljeni napon ubrzanja (1-500 kV), struja elektrona (0,01 mA - 1A), specifična snaga raspršena anodom (10-10 4 W/mm 2), ukupna potrošnja energije (0,002 W - 60 kW) i veličine fokusa (1 µm - 10 mm). Efikasnost rendgenske cijevi je 0,1-3%.

Neki radioaktivni izotopi mogu poslužiti i kao izvori rendgenskih zraka. : neki od njih direktno emituju X-zrake, nuklearno zračenje drugih (elektrona ili λ-čestica) bombarduju metalnu metu, koja emituje X-zrake. Intenzitet rendgenskog zračenja iz izvora izotopa je nekoliko redova veličine manji od intenziteta zračenja iz rendgenske cijevi, ali su dimenzije, težina i cijena izvora izotopa neuporedivo manji od instalacija s rendgenskom cijevi.

Sinhrotroni i prstenovi za skladištenje elektrona sa energijama od nekoliko GeV mogu poslužiti kao izvori mekih rendgenskih zraka sa λ reda desetina i stotina. Intenzitet rendgenskog zračenja sinhrotrona je veći od intenziteta rendgenske cijevi u ovom području spektra za 2-3 reda veličine.

Prirodni izvori rendgenskih zraka su Sunce i drugi svemirski objekti.

2.2 Svojstva rendgenskih zraka

U zavisnosti od mehanizma generisanja rendgenskih zraka, njihovi spektri mogu biti kontinuirani (kočni) ili linijski (karakteristični). Kontinuirani rendgenski spektar emituju brzo nabijene čestice kao rezultat njihovog usporavanja pri interakciji sa ciljnim atomima; ovaj spektar dostiže značajan intenzitet samo kada se meta bombarduje elektronima. Intenzitet kočnog rendgenskog zračenja je raspoređen na svim frekvencijama do visokofrekventne granice 0, na kojoj je energija fotona h 0 (h je Planckova konstanta ) jednaka je energiji eV bombardirajućih elektrona (e je naboj elektrona, V je razlika potencijala ubrzanog polja koje prolaze pored njih). Ova frekvencija odgovara kratkotalasnoj granici spektra 0 = hc/eV (c je brzina svjetlosti).

Linijsko zračenje nastaje nakon jonizacije atoma sa izbacivanjem elektrona iz jedne od njegovih unutrašnjih ljuski. Takva jonizacija može biti rezultat sudara atoma sa brzom česticom kao što je elektron (primarni X-zraci) ili apsorpcije fotona od strane atoma (fluorescentne X-zrake). Jonizovani atom se nalazi u početnom kvantnom stanju na jednom od visokih energetskih nivoa i nakon 10 -16 -10 -15 sekundi prelazi u konačno stanje sa nižom energijom. U tom slučaju, atom može emitovati višak energije u obliku fotona određene frekvencije. Frekvencije linija u spektru takvog zračenja karakteristične su za atome svakog elementa, pa se linijski rendgenski spektar naziva karakterističnim. Zavisnost frekvencije linija ovog spektra od atomskog broja Z određena je Moseleyjevim zakonom.

Moseleyjev zakon, zakon koji povezuje frekvenciju spektralnih linija karakterističnog rendgenskog zračenja hemijskog elementa sa njegovim atomskim brojem. Eksperimentalno utvrdio G. Moseley 1913. Prema Moseleyjevom zakonu, kvadratni korijen frekvencije  spektralne linije karakterističnog zračenja elementa je linearna funkcija njegovog serijskog broja Z:

gdje je R Rydbergova konstanta , S n - konstanta skrininga, n - glavni kvantni broj. Na Moseley dijagramu (Dodatak 3), zavisnost od Z je niz pravih linija (K-, L-, M- itd. serije, koje odgovaraju vrijednostima n = 1, 2, 3,.).

Moseleyjev zakon je bio nepobitan dokaz ispravnog postavljanja elemenata u periodni sistem elemenata DI. Mendeljejeva i doprinijeli razjašnjavanju fizičkog značenja Z.

U skladu sa Moseleyjevim zakonom, karakteristični spektri rendgenskih zraka ne otkrivaju periodične obrasce svojstvene optičkim spektrima. Ovo ukazuje da unutrašnje elektronske ljuske atoma svih elemenata, koje se pojavljuju u karakterističnim rendgenskim spektrima, imaju sličnu strukturu.

Kasniji eksperimenti su otkrili neka odstupanja od linearnog odnosa za prijelazne grupe elemenata povezana s promjenom redoslijeda punjenja vanjskih elektronskih omotača, kao i za teške atome, koja su rezultat relativističkih efekata (uvjetno objašnjenih činjenicom da su brzine unutrašnje su uporedive sa brzinom svetlosti).

Ovisno o brojnim faktorima - broju nukleona u jezgru (izotonični pomak), stanju vanjskih elektronskih ljuski (hemijski pomak), itd. - položaj spektralnih linija na Moseley dijagramu može se neznatno promijeniti. Proučavanje ovih pomaka nam omogućava da dobijemo detaljne informacije o atomu.

Rendgensko zračenje kočnog zračenja koje emituju veoma tanke mete potpuno su polarizovane blizu 0; Kako 0 opada, stepen polarizacije se smanjuje. Karakteristično zračenje po pravilu nije polarizovano.

Kada rendgenski zraci stupaju u interakciju sa materijom, može doći do fotoelektričnog efekta. , prateća apsorpcija rendgenskih zraka i njihovo raspršivanje, fotoelektrični efekat se opaža u slučaju kada atom, apsorbirajući foton rendgenskog zraka, izbaci jedan od svojih unutrašnjih elektrona, nakon čega može napraviti radijacioni prijelaz, emitujući fotona karakterističnog zračenja, ili izbaciti drugi elektron u neradijativnom prijelazu (Augerov elektron). Pod utjecajem rendgenskih zraka na nemetalne kristale (na primjer, kamenu sol), na nekim mjestima atomske rešetke pojavljuju se ioni s dodatnim pozitivnim nabojem, a u blizini njih pojavljuju se višak elektrona. Takvi poremećaji u strukturi kristala nazivaju se rendgenskim ekscitonima , su centri boje i nestaju tek sa značajnim porastom temperature.

Kada X-zrake prođu kroz sloj supstance debljine x, njihov početni intenzitet I 0 opada na vrijednost I = I 0 e - μ x gdje je μ koeficijent slabljenja. Do slabljenja I dolazi zbog dva procesa: apsorpcije rendgenskih fotona materijom i promjene njihovog smjera tokom raspršenja. U dugotalasnom području spektra prevladava apsorpcija rendgenskih zraka, u kratkotalasnom području prevladava njihovo raspršivanje. Stepen apsorpcije se brzo povećava sa povećanjem Z i λ. Na primjer, tvrdi rendgenski zraci slobodno prodiru kroz sloj zraka ~ 10 cm; aluminijumska ploča debljine 3 cm slabi rendgenske zrake sa λ = 0,027 upola; meki rendgenski zraci se značajno apsorbuju u vazduhu i njihovo korišćenje i istraživanje moguće je samo u vakuumu ili u gasu koji slabo apsorbuje (npr. He). Kada se X-zraci apsorbuju, atomi supstance postaju jonizovani.

Utjecaj rendgenskih zraka na žive organizme može biti koristan ili štetan ovisno o jonizaciji koju uzrokuju u tkivima. Pošto apsorpcija rendgenskih zraka zavisi od λ, njihov intenzitet ne može poslužiti kao mjera biološkog efekta rendgenskih zraka. Mjerenja rendgenskih zraka koriste se za kvantitativno mjerenje efekta rendgenskih zraka na materiju. , njegova mjerna jedinica je rendgenski snimak

Rasipanje rendgenskih zraka u području velikih Z i λ događa se uglavnom bez promjene λ i naziva se koherentno rasejanje, a u području malih Z i λ po pravilu se povećava (nekoherentno rasejanje). Postoje 2 poznata tipa nekoherentnog raspršenja X-zraka - Compton i Raman. U Comptonovom rasejanju, koje ima prirodu neelastičnog korpuskularnog rasejanja, usled energije koju delimično gubi rendgenski foton, elektron trzanja izleti iz ljuske atoma. U ovom slučaju energija fotona se smanjuje i njegov smjer se mijenja; promjena λ zavisi od ugla raspršenja. Tokom Ramanskog raspršenja visokoenergetskog rendgenskog fotona na svjetlosnom atomu, mali dio njegove energije troši se na jonizaciju atoma i smjer kretanja fotona se mijenja. Promjena takvih fotona ne zavisi od ugla raspršenja.

Indeks prelamanja n za X-zrake razlikuje se od 1 za vrlo mali iznos δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5. Fazna brzina rendgenskih zraka u mediju je veća od brzine svjetlosti u vakuumu. Otklon rendgenskih zraka pri prelasku iz jednog medija u drugi je vrlo mali (nekoliko minuta luka). Kada rendgenske zrake padaju iz vakuuma na površinu tijela pod vrlo malim uglom, potpuno se reflektiraju izvana.

2.3 Detekcija rendgenskih zraka

Ljudsko oko nije osjetljivo na rendgenske zrake. rendgenski snimak

Zraci se snimaju pomoću specijalnog rendgenskog fotografskog filma koji sadrži povećanu količinu Ag i Br. U regionu λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5, osjetljivost običnog pozitivnog fotografskog filma je prilično visoka, a njegova zrna su mnogo manja od zrna rendgenskog filma, što povećava rezoluciju. Na λ reda desetina i stotina, X-zrake djeluju samo na najtanji površinski sloj fotoemulzije; Kako bi se povećala osjetljivost filma, senzibilizira se luminiscentnim uljima. U rendgenskoj dijagnostici i detekciji kvarova, elektrofotografija se ponekad koristi za snimanje rendgenskih zraka. (elektroradiografija).

Rendgenski zraci visokog intenziteta mogu se snimiti pomoću jonizacijske komore (Dodatak 4), X-zrake srednjeg i niskog intenziteta na λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком sa NaI (Tl) kristalom (Dodatak 5), na 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Prilog 6) i zapečaćeni proporcionalni brojač (Dodatak 7), na 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Dodatak 8). U području vrlo velikih λ (od desetina do 1000) za registraciju X-zraka mogu se koristiti otvoreni množitelji sekundarnih elektrona sa različitim fotokatodama na ulazu.

2.4 Upotreba rendgenskih zraka

Većina široka primena X-zrake su pronađene u medicini za rendgensku dijagnostiku i radioterapija . Rendgenska detekcija grešaka je važna za mnoge grane tehnologije. , na primjer, za otkrivanje unutrašnjih nedostataka u odljevcima (ljuske, inkluzije šljake), pukotina na šinama i nedostataka u zavarenim spojevima.

Analiza rendgenske strukture omogućava vam da uspostavite prostorni raspored atoma u kristalnoj rešetki minerala i jedinjenja, u neorganskim i organskim molekulima. Na osnovu brojnih već dešifriranih atomskih struktura, može se riješiti i inverzni problem: korištenjem uzorka difrakcije rendgenskih zraka polikristalne supstance, na primer legirani čelik, legura, ruda, lunarno tlo, može se ustanoviti kristalni sastav ove supstance, tj. izvršena je fazna analiza. Brojne primjene R. l. radiografija materijala se koristi za proučavanje svojstava čvrstih materija .

Rentgenska mikroskopija omogućava, na primjer, da dobijete sliku ćelije ili mikroorganizma i da vidite njihovu unutrašnju strukturu. rendgenska spektroskopija koristeći rendgenske spektre, proučava distribuciju energije gustine elektronskih stanja u različitim supstancama, istražuje prirodu hemijskih veza i pronalazi efektivni naboj jona u čvrstim materijama i molekulima. Rentgenska spektralna analiza Na osnovu položaja i intenziteta linija karakterističnog spektra, omogućava određivanje kvalitativnog i kvantitativnog sastava supstance i služi za ekspresno ispitivanje sastava materijala bez razaranja u metalurškim i cementarama i prerađivačkim postrojenjima. Prilikom automatizacije ovih preduzeća, kao senzori za sastav materije koriste se rendgenski spektrometri i kvantni metri.

X-zrake koje dolaze iz svemira nose informacije o hemijskom sastavu kosmičkih tijela i fizičkim procesima koji se odvijaju u svemiru. Rentgenska astronomija proučava kosmičke rendgenske zrake. . Snažni rendgenski zraci se koriste u radijacijskoj hemiji da stimuliraju određene reakcije, polimerizaciju materijala i pucanje organskih tvari. X-zrake se koriste i za otkrivanje antičkih slika skrivenih ispod sloja kasnog slikarstva, u prehrambenoj industriji za identifikaciju stranih predmeta koji su slučajno dospjeli u prehrambene proizvode, u forenzici, arheologiji itd.

Poglavlje 3. Primena rendgenskih zraka u metalurgiji

Jedan od glavnih zadataka analize rendgenske difrakcije je određivanje materijalnog ili faznog sastava materijala. Metoda rendgenske difrakcije je direktna i odlikuje se visokom pouzdanošću, brzinom i relativnom jeftinošću. Metoda ne zahtijeva veliku količinu tvari, analiza se može izvesti bez uništavanja dijela. Područja primjene kvalitativne fazne analize su vrlo raznolika, kako za istraživanje tako i za kontrolu u proizvodnji. Možete provjeriti sastav polaznih materijala metalurške proizvodnje, proizvode sinteze, preradu, rezultat faznih promjena tokom termičke i hemijsko-termalne obrade, analizirati različite prevlake, tanke filmove itd.

Svaku fazu, koja ima svoju kristalnu strukturu, karakterizira određeni skup diskretnih vrijednosti međuplanarnih udaljenosti d/n, svojstvenih samo ovoj fazi, od maksimuma i ispod. Kao što slijedi iz Wulff-Braggove jednačine, svaka vrijednost međuplanarne udaljenosti odgovara liniji na dijagramu difrakcije rendgenskih zraka iz polikristalnog uzorka pod određenim kutom θ (za datu valnu dužinu λ). Dakle, određeni skup interplanarnih udaljenosti za svaku fazu u dijagramu difrakcije rendgenskih zraka odgovarat će određenom sistemu linija (difrakcijski maksimumi). Relativni intenzitet ovih linija u dijagramu rendgenske difrakcije zavisi prvenstveno od strukture faze. Dakle, određivanjem položaja linija na rendgenskoj slici (njegov ugao θ) i poznavanjem talasne dužine zračenja na kojoj je rendgenska slika snimljena, možemo odrediti vrednosti međuplanarnih udaljenosti d/ n koristeći Wulff-Bragg formulu:

/n = λ/ (2sin θ). (1)

Određivanjem skupa d/n za materijal koji se proučava i poređenjem sa prethodno poznatim d/n podacima za čiste supstance i njihova različita jedinjenja, moguće je odrediti koja faza čini dati materijal. Treba naglasiti da se određuju faze, a ne hemijski sastav, ali se potonje ponekad može zaključiti ako postoje dodatni podaci o elementarnom sastavu određene faze. Zadatak kvalitativne fazne analize uvelike je olakšan ako je poznat hemijski sastav materijala koji se proučava, jer se tada mogu napraviti preliminarne pretpostavke o mogućim u ovom slučaju faze.

Glavna stvar za faznu analizu je precizno mjerenje d/n i intenziteta linije. Iako je to u principu lakše postići korištenjem difraktometra, fotometoda za kvalitativnu analizu ima neke prednosti, prije svega u smislu osjetljivosti (mogućnost detekcije prisustva male količine faze u uzorku), kao i jednostavnosti analize. eksperimentalna tehnika.

Izračunavanje d/n iz uzorka difrakcije rendgenskih zraka vrši se korištenjem Wulff-Braggove jednadžbe.

Vrijednost λ u ovoj jednačini se obično koristi λ α avg K-serije:

λ α av = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

Ponekad se koristi linija K α1. Određivanje uglova difrakcije θ za sve linije rendgenskih fotografija omogućava vam da izračunate d/n pomoću jednačine (1) i odvojenih β-linija (ako nije postojao filter za (β-zrake).

3.1 Analiza nesavršenosti kristalne strukture

Svi pravi monokristalni, a posebno polikristalni materijali sadrže određene strukturne nesavršenosti (tačkaste defekte, dislokacije, različite vrste interfejsa, mikro- i makronaprezanja), koje imaju veoma jak uticaj za sva strukturno osjetljiva svojstva i procese.

Strukturne nesavršenosti uzrokuju različite vrste poremećaja u kristalnoj rešetki i, kao posljedicu, različite vrste promjene u difrakcijskom obrascu: promjene u interatomskim i interplanarnim udaljenostima uzrokuju pomak difrakcijskih maksimuma, mikronaprezanja i disperzija substrukture dovode do širenja difrakcijskih maksimuma, mikrodistorzije rešetke dovode do promjene intenziteta ovih maksimuma, prisustvo dislokacija uzrokuje anomalije pojave tokom prolaska rendgenskih zraka i, posljedično, lokalne nehomogenosti kontrasta na rendgenskim topogramima itd.

Kao rezultat toga, analiza difrakcije rendgenskih zraka jedna je od najinformativnijih metoda za proučavanje strukturnih nesavršenosti, njihove vrste i koncentracije, te prirode distribucije.

Tradicionalna direktna metoda difrakcije rendgenskih zraka, koja se implementira na stacionarnim difraktometrima, zbog svojih dizajnerskih karakteristika omogućava kvantitacija naprezanja i naprezanja samo na malim uzorcima izrezanim iz dijelova ili predmeta.

Stoga je trenutno došlo do prijelaza sa stacionarnih na prijenosne rendgenske difraktometre malih dimenzija, koji omogućavaju procjenu naprezanja u materijalu dijelova ili predmeta bez razaranja u fazama njihove proizvodnje i rada.

Prijenosni rendgenski difraktometri serije DRP * 1 omogućavaju vam praćenje zaostalih i efektivnih napona u velikim dijelovima, proizvodima i strukturama bez razaranja

Program u Windows okruženju omogućava ne samo određivanje napona metodom “sin 2 ψ” u realnom vremenu, već i praćenje promjena u faznom sastavu i teksturi. Linearni koordinatni detektor omogućava istovremenu registraciju pri uglovima difrakcije od 2θ = 43°. Rendgenske cijevi male veličine tipa "Fox" velike svjetline i male snage (5 W) osiguravaju radiološka sigurnost uređaja, u kojem je na udaljenosti od 25 cm od ozračenog područja nivo zračenja jednak prirodni nivo pozadine. Uređaji serije DRP se koriste za određivanje napona u različitim fazama oblikovanja metala, tokom rezanja, brušenja, termičke obrade, zavarivanja, površinskog kaljenja u cilju optimizacije ovih tehnoloških operacija. Praćenje pada nivoa indukovanih zaostalih tlačnih napona u posebno kritičnim proizvodima i konstrukcijama tokom njihovog rada omogućava da se proizvod povuče iz upotrebe pre nego što bude uništen, čime se sprečavaju moguće nezgode i katastrofe.

3.2 Spektralna analiza

Uz određivanje atomske kristalne strukture i faznog sastava materijala, za njegovu potpunu karakterizaciju potrebno je odrediti i njegov hemijski sastav.

U te svrhe u praksi se sve više koriste različite takozvane instrumentalne metode spektralne analize. Svaki od njih ima svoje prednosti i primjenu.

Jedan od važnih zahtjeva u mnogim slučajevima je da korištena metoda osigurava sigurnost analiziranog objekta; Upravo o ovim metodama analize govori se u ovom odeljku. Sljedeći kriterij prema kojem su odabrane metode analize opisane u ovom dijelu je njihova lokacija.

Metoda fluorescentne rendgenske spektralne analize zasniva se na prodiranju prilično tvrdog rendgenskog zračenja (iz rendgenske cijevi) u analizirani objekt, prodirući u sloj debljine oko nekoliko mikrometara. Karakteristično rendgensko zračenje koje se pojavljuje u objektu omogućava da se dobiju prosječni podaci o njegovom kemijskom sastavu.

Za određivanje elementarnog sastava tvari možete koristiti analizu spektra karakterističnog rendgenskog zračenja uzorka postavljenog na anodu rendgenske cijevi i podvrgnutog bombardiranju elektronima - emisionom metodom ili analizom spektar sekundarnog (fluorescentnog) rendgenskog zračenja uzorka ozračenog tvrdim rendgenskim zracima iz rendgenske cijevi ili drugog izvora - fluorescentna metoda.

Nedostatak emisione metode je, prvo, potreba da se uzorak postavi na anodu rendgenske cijevi, a zatim da se ispumpa vakuum pumpama; Očigledno, ova metoda nije prikladna za topljive i isparljive tvari. Drugi nedostatak je povezan s činjenicom da su čak i vatrostalni objekti oštećeni bombardiranjem elektrona. Fluorescentna metoda nema ovih nedostataka i stoga ima mnogo širu primjenu. Prednost fluorescentne metode je i odsustvo kočnog zračenja, što poboljšava osjetljivost analize. Poređenje izmerenih talasnih dužina sa tabelama spektralnih linija hemijskih elemenata čini osnovu kvalitativne analize, a relativne vrednosti intenziteta spektralnih linija različitih elemenata, formirajući supstancu uzorka, čini osnovu kvantitativne analize. Iz ispitivanja mehanizma pobuđivanja karakterističnog rendgenskog zračenja jasno je da zračenje jedne ili druge serije (K ili L, M, itd.) nastaje istovremeno, a omjeri intenziteta linija unutar serije su uvijek konstantni. . Stoga se prisutnost jednog ili drugog elementa utvrđuje ne pojedinačnim linijama, već nizom linija u cjelini (osim najslabijih, uzimajući u obzir sadržaj danog elementa). Za relativno lake elemente koristi se analiza linija K-serije, za teške elemente - linija L-serije; V različitim uslovima(u zavisnosti od opreme koja se koristi i elemenata koji se analiziraju), mogu biti najpogodnije različite oblasti karakterističnog spektra.

Glavne karakteristike rendgenske spektralne analize su sljedeće.

Jednostavnost rendgenskih karakterističnih spektra čak i za teške elemente (u poređenju sa optičkim spektrima), što pojednostavljuje analizu (mali broj linija; sličnost u njihovom relativnom rasporedu; sa povećanjem rednog broja dolazi do prirodnog pomaka spektra kratkotalasnom području, komparativna jednostavnost kvantitativne analize).

Nezavisnost valnih dužina od stanja atoma elementa koji se analizira (slobodan ili u hemijskom spoju). To je zbog činjenice da je pojava karakterističnog rendgenskog zračenja povezana s pobuđivanjem unutarnjih elektronskih nivoa, koji se u većini slučajeva praktički ne mijenjaju ovisno o stupnju ionizacije atoma.

Mogućnost odvajanja u analizi rijetkih zemalja i nekih drugih elemenata koji imaju male razlike u spektrima u optičkom opsegu zbog sličnosti elektronske strukture vanjskih ljuski i vrlo se malo razlikuju po svojim kemijskim svojstvima.

Metoda rendgenske fluorescentne spektroskopije je „nedestruktivna“, pa ima prednost u odnosu na konvencionalnu metodu optičke spektroskopije kada se analiziraju tanki uzorci – tanki metalni lim, folija itd.

Rendgenski fluorescentni spektrometri su posebno dobili široku primenu u metalurškim preduzećima, a među njima su i višekanalni spektrometri ili kvantometri koji omogućavaju brzu kvantitativnu analizu elemenata (od Na ili Mg do U) sa greškom manjom od 1% utvrđene vrednosti, prag osetljivosti od 10 -3 ... 10 -4% .

rendgenski snop

Metode za određivanje spektralnog sastava rendgenskog zračenja

Spektrometri su podijeljeni u dvije vrste: kristalno difrakcijski i bez kristala.

Razlaganje rendgenskih zraka u spektar pomoću prirodne difrakcijske rešetke - kristala - u suštini je slično dobivanju spektra običnih svjetlosnih zraka korištenjem umjetne difrakcijske rešetke u obliku periodičnih linija na staklu. Uslov za formiranje difrakcionog maksimuma može se zapisati kao uslov „odbijanja“ od sistema paralelnih atomskih ravni razdvojenih rastojanjem d hkl.

Prilikom kvalitativne analize može se suditi o prisutnosti određenog elementa u uzorku po jednoj liniji - obično najintenzivnijoj liniji spektralnog niza pogodnoj za dati kristalni analizator. Rezolucija spektrometara kristalne difrakcije dovoljna je da odvoji karakteristične linije parnih elemenata koji su susedni na poziciji u periodnom sistemu. Međutim, moramo uzeti u obzir i preklapanje različitih linija različitih elemenata, kao i preklapanje refleksija različitih redova. Ovu okolnost treba uzeti u obzir pri odabiru analitičkih linija. Istovremeno, potrebno je iskoristiti mogućnosti poboljšanja rezolucije uređaja.

Zaključak

Dakle, X-zraci su nevidljivo elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od 10 5 - 10 2 nm. X-zrake mogu prodrijeti u neke materijale koji su neprozirni za vidljivu svjetlost. Emituju se prilikom usporavanja brzih elektrona u supstanci (neprekidni spektar) i tokom prelaza elektrona sa spoljašnjih elektronskih omotača atoma na unutrašnje (linijski spektar). Izvori rendgenskog zračenja su: rendgenska cijev, neki radioaktivni izotopi, akceleratori i uređaji za skladištenje elektrona (sinhrotronsko zračenje). Prijemnici - fotografski film, fluorescentni ekrani, detektori nuklearnog zračenja. X-zrake se koriste u analizi difrakcije rendgenskih zraka, medicini, detekciji mana, rendgenskoj spektralnoj analizi itd.

Uzimajući u obzir pozitivne strane otkriće V. Roentgena, potrebno je ukazati na njegovo štetno biološko djelovanje. Ispostavilo se da rendgensko zračenje može izazvati nešto poput jakog opekotine od sunca(eritem), praćen, međutim, dubljim i trajnijim oštećenjem kože. Čirevi koji se pojavljuju često se pretvaraju u rak. U mnogim slučajevima, prsti ili šake su morali biti amputirani. Bilo je i smrtnih slučajeva.

Utvrđeno je da se oštećenje kože može izbjeći smanjenjem vremena izlaganja i doze, korištenjem zaštite (npr. olovo) i daljinskih upravljača. Ali postupno su se pojavili i drugi, dugoročniji efekti zračenja rendgenskim zrakama, koji su potom potvrđeni i proučavani na eksperimentalnim životinjama. Na efekte uzrokovane djelovanjem rendgenskog zračenja, kao i dr jonizujuće zračenje(kao što je gama zračenje koje emituju radioaktivni materijali) uključuju:

) privremene promjene sastava krvi nakon relativno malog viška zračenja;

) nepovratne promjene u sastavu krvi (hemolitička anemija) nakon dugotrajnog prekomjernog zračenja;

) povećana incidencija raka (uključujući leukemiju);

) brže starenje i ranu smrt;

) pojava katarakte.

Biološki uticaj rendgenskog zračenja na ljudski organizam određen je nivoom doze zračenja, kao i to koji organ u telu je bio izložen zračenju.

Akumulacija znanja o uticaju rendgenskog zračenja na ljudski organizam dovela je do razvoja nacionalnih i međunarodnih standarda za dozvoljene doze zračenja, objavljenih u različitim referentnim publikacijama.

Izbjeći štetnih efekata Koriste se metode kontrole rendgenskog zračenja:

) dostupnost adekvatne opreme,

) praćenje poštivanja sigurnosnih propisa,

) pravilnu upotrebu opreme.

Spisak korištenih izvora

1) Blokhin M.A., Fizika X-zraka, 2. izd., M., 1957;

) Blokhin M.A., Metode rendgenskih spektralnih studija, M., 1959;

) X-zrake. Sat. uređeno od M.A. Blokhina, per. s njim. i engleski, M., 1960;

) Kharaja F., Opšti kurs rendgenske tehnologije, 3. izd., M. - L., 1966;

) Mirkin L.I., Priručnik o rendgenskoj strukturnoj analizi polikristala, M., 1961;

) Vainshtein E.E., Kahana M.M., Referentne tablice za rendgensku spektroskopiju, M., 1953.

) Rentgenska i elektronsko-optička analiza. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Udžbenik. Priručnik za univerzitete. - 4. izd. Dodati. I prerađeno. - M.: "MISiS", 2002. - 360 str.

Prijave

Aneks 1

Opšti pogled na rendgenske cijevi

Dodatak 2

Dijagram rendgenske cijevi za strukturnu analizu

Dijagram rendgenske cijevi za strukturnu analizu: 1 - metalna anodna čaša (obično uzemljena); 2 - berilijumski prozori za rendgensku emisiju; 3 - termoionska katoda; 4 - staklena tikvica, koja izoluje anodni dio cijevi od katode; 5 - katodni terminali, na koje se dovodi napon žarne niti, kao i visoki (u odnosu na anodu) napon; 6 - elektrostatički sistem fokusiranja elektrona; 7 - anoda (antikatoda); 8 - cijevi za ulaz i izlaz tekuće vode koja hladi anodnu čašu.

Dodatak 3

Moseley dijagram

Moseley dijagram za K-, L- i M-seriju karakterističnog rendgenskog zračenja. Osa apscisa prikazuje serijski broj elementa Z, a osa ordinata ( With- brzina svjetlosti).

Dodatak 4

Jonizaciona komora.

Fig.1. Poprečni presjek cilindrične jonizacijske komore: 1 - tijelo cilindrične komore, koja služi kao negativna elektroda; 2 - cilindrična šipka koja služi kao pozitivna elektroda; 3 - izolatori.

Rice. 2. Šema za uključivanje strujne jonizacione komore: V - napon na elektrodama komore; G je galvanometar koji mjeri jonizacionu struju.

Rice. 3. Strujno-naponske karakteristike jonizacijske komore.

Rice. 4. Šema priključka za pulsnu jonizacionu komoru: C - kapacitet sabirne elektrode; R - otpor.

Dodatak 5

Scintilacioni brojač.

Krug scintilacionog brojača: kvanti svjetlosti (fotoni) „izbijaju“ elektrone sa fotokatode; krećući se od dinoda do dinoda, lavina elektrona se umnožava.

Dodatak 6

Geiger-Muller brojač.

Rice. 1. Šema staklenog Geiger-Müller brojača: 1 - hermetički zatvorena staklena cijev; 2 - katoda (tanki sloj bakra na cijevi od nehrđajućeg čelika); 3 - katodni izlaz; 4 - anoda (tanka rastegnuta nit).

Rice. 2. Šema za povezivanje Geiger-Müller brojača.

Rice. 3. Karakteristike brojanja Geiger-Müllerovog brojača.

Dodatak 7

Proporcionalni brojač.

Šema proporcionalnog brojača: a - oblast drifta elektrona; b - oblast pojačanja gasa.

Dodatak 8

Poluprovodnički detektori

Poluvodički detektori; osjetljivo područje je istaknuto senčenjem; n - oblast poluprovodnika sa elektronskom provodljivošću, p - sa provodljivošću rupa, i - sa intrinzičnom provodljivošću; a - detektor površinske barijere silikona; b - drift germanijum-litijum planarni detektor; c - germanijum-litijum koaksijalni detektor.

Godine 1895., njemački fizičar Roentgen, koji je provodio eksperimente na prolasku struje između dvije elektrode u vakuumu, otkrio je da ekran prekriven luminiscentnom tvari (barijevom soli) svijetli, iako je cijev za pražnjenje prekrivena crnim kartonskim ekranom - ovo je način na koji zračenje prodire kroz neprozirne barijere, koje se nazivaju X-zraci X-zraci. Otkriveno je da se rendgensko zračenje, nevidljivo za čovjeka, apsorbira u neprozirnim objektima utoliko jače što je veći atomski broj (gustina) barijere, pa rendgenski zraci lako prolaze kroz meka tkiva ljudskog tijela, ali zadržavaju kosti skeleta. Izvori snažnih rendgenskih zraka dizajnirani su da omoguće osvjetljavanje metalnih dijelova i pronalaženje unutrašnjih nedostataka u njima.

Njemački fizičar Laue je sugerirao da su rendgenski zraci isto elektromagnetno zračenje kao i zraci vidljive svjetlosti, ali s kraćom talasnom dužinom i na njih vrijede svi zakoni optike, uključujući i mogućnost difrakcije. U optici vidljive svjetlosti, difrakcija na elementarnom nivou može se predstaviti kao refleksija svjetlosti od sistema linija - difrakciona rešetka, koja se javlja samo pod određenim uglovima, a ugao refleksije zraka povezan je sa upadnim uglom. , rastojanje između linija difrakcione rešetke i talasne dužine upadnog zračenja. Da bi došlo do difrakcije, udaljenost između linija mora biti približno jednaka talasnoj dužini upadne svjetlosti.

Laue je sugerirao da X-zrake imaju talasnu dužinu blisku udaljenosti između pojedinačnih atoma u kristalima, tj. atomi u kristalu stvaraju difrakcijsku rešetku za rendgenske zrake. Rendgenski zraci usmjereni na površinu kristala reflektirali su se na fotografsku ploču, kako je predviđala teorija.

Svaka promjena položaja atoma utiče na difrakcijski obrazac, a proučavanjem difrakcije rendgenskih zraka može se saznati raspored atoma u kristalu i promjena tog rasporeda pod bilo kojim fizičkim, kemijskim i mehaničkim utjecajima na kristal.

Danas se rendgenska analiza koristi u mnogim oblastima nauke i tehnologije, uz njenu pomoć je utvrđen raspored atoma u postojećim materijalima i stvoreni su novi materijali sa datom strukturom i svojstvima. Najnovija dostignuća u ovoj oblasti (nanomaterijali, amorfni metali, kompozitni materijali) stvaraju polje aktivnosti za naredne naučne generacije.

Pojava i svojstva rendgenskog zračenja

Izvor rendgenskih zraka je rendgenska cijev, koja ima dvije elektrode - katodu i anodu. Kada se katoda zagrije, elektroni koji izlaze iz katode se ubrzavaju električnim poljem i udaraju o površinu anode. Ono što razlikuje rendgensku cijev od konvencionalne radio cijevi (diode) je uglavnom njen viši napon ubrzanja (više od 1 kV).

Kada elektron napusti katodu, električno polje ga tjera da leti prema anodi, dok njegova brzina kontinuirano raste, elektron nosi magnetsko polje čija se jačina povećava sa povećanjem brzine elektrona. Dospijevajući do površine anode, elektron se naglo usporava i pojavljuje se elektromagnetski impuls s valnim duljinama u određenom intervalu (kočno svjetlo). Distribucija intenziteta zračenja po talasnim dužinama zavisi od materijala anode rendgenske cevi i primenjenog napona, dok na kratkotalasnoj strani ova kriva počinje sa određenim pragom minimalne talasne dužine, u zavisnosti od primenjenog napona. Kombinacija zraka sa svim mogućim talasnim dužinama formira kontinuirani spektar, a talasna dužina koja odgovara maksimalnom intenzitetu je 1,5 puta veća od minimalne talasne dužine.

Kako napon raste, rendgenski spektar se dramatično mijenja zbog interakcije atoma sa visokoenergetskim elektronima i kvantima primarnih rendgenskih zraka. Atom sadrži unutrašnje elektronske ljuske ( nivoi energije), čiji broj zavisi od atomskog broja (označenog slovima K, L, M, itd.) Elektroni i primarni rendgenski zraci izbacuju elektrone sa jednog energetskog nivoa na drugi. Nastaje metastabilno stanje i za prijelaz u stabilno stanje neophodan je skok elektrona u suprotnom smjeru. Ovaj skok je praćen oslobađanjem kvanta energije i pojavom rendgenskog zračenja. Za razliku od rendgenskih zraka s kontinuiranim spektrom, ovo zračenje ima vrlo uzak raspon valnih dužina i visok intenzitet (karakteristično zračenje) ( cm. pirinač.). Broj atoma koji određuju intenzitet karakterističnog zračenja je vrlo velik, na primjer, za rendgensku cijev sa bakrenom anodom napona od 1 kV i struje od 15 mA, 10 14 –10 15 atoma proizvodi karakteristiku; zračenje u 1 s. Ova vrijednost se izračunava kao omjer ukupne snage rendgenskog zračenja i energije rendgenskog kvanta iz K-ljuske (K-serija rendgenskog karakterističnog zračenja). Ukupna snaga rendgenskog zračenja je samo 0,1% potrošnje energije, ostatak se gubi uglavnom zbog pretvaranja u toplinu.

Zbog svog visokog intenziteta i uskog raspona talasnih dužina, karakteristični rendgenski zraci su glavna vrsta zračenja koja se koristi u naučnim istraživanjima i kontroli procesa. Istovremeno sa zracima K-serije, generišu se zraci L i M-serije, koji imaju znatno veće talasne dužine, ali je njihova upotreba ograničena. K-serija ima dvije komponente sa bliskim talasnim dužinama a i b, dok je intenzitet b-komponente 5 puta manji od a. Zauzvrat, a-komponentu karakteriziraju dvije vrlo bliske valne dužine, od kojih je intenzitet jedne 2 puta veći od druge. Za dobijanje zračenja jedne talasne dužine (monokromatsko zračenje) razvijene su posebne metode koje koriste zavisnost apsorpcije i difrakcije rendgenskih zraka o talasnoj dužini. Povećanje atomskog broja elementa povezano je s promjenom karakteristika elektronskih ljuski, a što je veći atomski broj materijala anode rendgenske cijevi, kraća je talasna dužina K-serije. Najviše se koriste cijevi sa anodama od elemenata sa atomskim brojem od 24 do 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) i talasnim dužinama od 2,29 do 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Osim rendgenske cijevi, izvori rendgenskog zračenja mogu biti radioaktivni izotopi, neki mogu direktno emitovati rendgenske zrake, drugi emituju elektrone i a-čestice koje stvaraju rendgenske zrake prilikom bombardiranja metalnih ciljeva. Intenzitet rendgenskog zračenja iz radioaktivnih izvora obično je mnogo manji od intenziteta rendgenske cijevi (s izuzetkom radioaktivnog kobalta koji se koristi u detekciji mana i proizvodi zračenje vrlo kratke valne dužine - g-zračenje), male su veličine i ne zahtijevaju struju. Sinhrotronsko rendgensko zračenje se proizvodi u elektronskim akceleratorima, talasna dužina ovog zračenja je znatno duža od one dobijene u rendgenskim cevima (meki rendgenski zraci), a njen intenzitet je nekoliko redova veličine veći od intenziteta zračenja rendgenskih zraka; cijevi. Postoje također prirodni izvori rendgensko zračenje. Radioaktivne nečistoće su pronađene u mnogim mineralima, a zabilježena je i emisija rendgenskih zraka iz svemirskih objekata, uključujući zvijezde.

Interakcija rendgenskih zraka sa kristalima

At rendgenski pregled materijala sa kristalnom strukturom, analiziraju se obrasci interferencije koji nastaju rasipanjem X-zraka elektronima koji pripadaju atomima kristalne rešetke. Atomi se smatraju nepokretnim, njihove toplotne vibracije se ne uzimaju u obzir, a svi elektroni istog atoma se smatraju koncentrisanim u jednoj tački - čvoru kristalne rešetke.

Da bi se izvele osnovne jednadžbe za difrakciju rendgenskih zraka u kristalu, razmatra se interferencija zraka raspršenih atomima koji se nalaze duž prave linije u kristalnoj rešetki. Ravni talas monohromatskog rendgenskog zračenja pada na ove atome pod uglom čiji je kosinus jednak a 0. Zakoni interferencije zraka raspršenih atomima slični su onima koji postoje za difrakcijsku rešetku koja raspršuje svjetlosno zračenje u opsegu vidljivih valnih dužina. Da bi se amplitude svih vibracija zbrajale na velikoj udaljenosti od atomskog reda, potrebno je i dovoljno da razlika u putanjama zraka koje dolaze iz svakog para susjednih atoma sadrži cijeli broj valnih dužina. Kada je udaljenost između atoma A ovo stanje izgleda ovako:

A(a – a 0) = h l,

gdje je a kosinus ugla između atomskog reda i odbijenog snopa, h – cijeli broj. U svim pravcima koji ne zadovoljavaju ovu jednačinu, zraci se ne šire. Dakle, raspršeni zraci formiraju sistem koaksijalnih čunjeva čija je zajednička osa atomski red. Tragovi čunjeva na ravni paralelnoj sa atomskim redom su hiperbole, a na ravni okomitoj na red su kružnice.

Kada zraci upadaju pod konstantnim uglom, polihromatsko (bijelo) zračenje se razlaže na spektar zraka koji se odbijaju pod fiksnim uglovima. Dakle, atomska serija je spektrograf za x-zrake.

Generalizacija na dvodimenzionalnu (ravnu) atomsku rešetku, a zatim na trodimenzionalnu volumetrijsku (prostornu) kristalnu rešetku daje još dvije slične jednadžbe, koje uključuju uglove upada i refleksije rendgenskog zračenja i udaljenosti između atoma u tri pravca. Ove jednačine se nazivaju Laue-ove jednačine i čine osnovu analize difrakcije rendgenskih zraka.

Amplitude zraka koje se odbijaju od paralelnih atomskih ravni se zbrajaju, itd. broj atoma je veoma velik, reflektovano zračenje se može eksperimentalno detektovati. Stanje refleksije opisano je Wulff-Bragg-ovom jednačinom2d sinq = nl, gdje je d udaljenost između susjednih atomskih ravnina, q je ugao grebanja između smjera upadnog snopa i ovih ravnina u kristalu, l je valna dužina rendgensko zračenje, n je cijeli broj koji se naziva red refleksije. Ugao q je upadni ugao u odnosu na atomske ravni, koje se ne moraju nužno poklapati u pravcu sa površinom uzorka koji se proučava.

Razvijeno je nekoliko metoda rendgenske difrakcijske analize, koristeći zračenje kontinuiranog spektra i monokromatsko zračenje. Objekt koji se proučava može biti stacionaran ili rotirajući, može se sastojati od jednog kristala (monokristal) ili više (polikristalno difrakcijsko zračenje može se snimiti pomoću ravnog ili cilindričnog rendgenskog filma ili detektora rendgenskih zraka koji se kreće po obodu); ali u svim slučajevima tokom eksperimenta i interpretacije rezultata koristi se Wulff–Braggova jednačina.

Rentgenska analiza u nauci i tehnologiji

Otkrićem difrakcije rendgenskih zraka, istraživači su imali na raspolaganju metodu koja je omogućila da se, bez mikroskopa, proučava raspored pojedinačnih atoma i promjene u tom rasporedu pod vanjskim utjecajima.

Glavna primjena rendgenskih zraka u fundamentalnoj nauci je strukturna analiza, tj. uspostavljanje prostornog rasporeda pojedinačnih atoma u kristalu. Da bi se to postiglo, uzgajaju se monokristali i vrši se rendgenska analiza, proučavajući i lokacije i intenzitet refleksije. Sada su utvrđene strukture ne samo metala, već i složenih organskih supstanci u kojima se u jediničnim ćelijama nalaze hiljade atoma.

U mineralogiji su rendgenskom analizom određene strukture hiljada minerala i stvorene su ekspresne metode za analizu mineralnih sirovina.

Metali imaju relativno jednostavnu kristalnu strukturu, a rendgenska metoda omogućava proučavanje njenih promjena tokom različitih tehnoloških tretmana i stvaranje fizičke osnove novih tehnologija.

Fazni sastav legura određen je položajem linija na dijagramu rendgenske difrakcije, broj, veličina i oblik kristala određen je njihovom širinom, a orijentacija kristala (tekstura) određena je intenzitetom. raspodjela u difrakcijskom konusu.

Koristeći ove tehnike, procesi se proučavaju tokom plastična deformacija, uključujući fragmentaciju kristala, izgled unutrašnja naprezanja i nesavršenosti u kristalnoj strukturi (dislokacije). Kada se deformirani materijali zagrijavaju, proučava se rasterećenje naprezanja i rast kristala (rekristalizacija).

Rentgenskom analizom legura utvrđuje se sastav i koncentracija čvrstih rastvora. Kada se pojavi čvrsta otopina, mijenjaju se međuatomske udaljenosti i, posljedično, udaljenosti između atomskih ravnina. Ove promene su male, pa su razvijene posebne precizne metode za merenje perioda kristalne rešetke sa tačnošću dva reda veličine većom od tačnosti merenja korišćenjem konvencionalnih metoda rendgenskog istraživanja. Kombinacija preciznih mjerenja perioda kristalne rešetke i fazne analize omogućavaju konstruiranje granica faznih područja u faznom dijagramu. Metodom rendgenskih zraka može se otkriti i međustanja između čvrstih otopina i kemijskih spojeva – uređenih čvrstih otopina u kojima atomi nečistoće nisu nasumično locirani, kao u čvrstim otopinama, a istovremeno ne trodimenzionalnim redoslijedom, kao u kemijskim spojeva. Rendgenski difrakcijski uzorci uređenih čvrstih otopina sadrže dodatne linije određenim mjestima u kristalnoj rešetki, na primjer, na vrhovima kocke.

Kada se ugasi legura koja ne prolazi kroz fazne transformacije, može nastati prezasićena čvrsta otopina, a daljnjim zagrijavanjem ili čak držanjem na sobnoj temperaturi, čvrsta otopina se raspada uz oslobađanje čestica kemijskog spoja. Ovo je efekat starenja i pojavljuje se na rendgenskim snimcima kao promena položaja i širine linija. Istraživanje starenja je posebno važno za legure obojenih metala, na primjer, starenje pretvara meku, očvrsnu leguru aluminija u izdržljivi strukturni materijal duraluminij.

Rendgenske studije termičke obrade čelika su od najveće tehnološke važnosti. Prilikom gašenja (brzog hlađenja) čelika dolazi do faznog prijelaza austenit-martenzit bez difuzije, što dovodi do promjene strukture iz kubične u tetragonalnu, tj. jedinična ćelija poprima oblik pravokutne prizme. Na rendgenskim snimcima to se pojavljuje kao proširenje linija i podjela nekih linija na dvije. Razlozi ovog efekta nisu samo promjena kristalne strukture, već i pojava velikih unutrašnjih naprezanja zbog termodinamičke neravnoteže martenzitne strukture i naglog hlađenja. Prilikom kaljenja (zagrijavanja kaljenog čelika), linije na dijagramima rendgenske difrakcije se sužavaju, što je povezano s povratkom na ravnotežnu strukturu.

Poslednjih godina rendgenske studije obrade materijala sa koncentrisanim energetskim tokovima (laserski snopovi, udarni talasi, neutroni, elektronski impulsi) dobijaju veliki značaj, zahtevaju nove tehnike i proizvode nove rendgenske efekte. Na primjer, kada laserski zraci djeluju na metale, zagrijavanje i hlađenje se dešavaju tako brzo da tokom hlađenja kristali u metalu imaju vremena samo da narastu do veličine nekoliko elementarnih ćelija (nanokristala) ili nemaju vremena da se uopće pojave. Nakon hlađenja, takav metal izgleda kao običan metal, ali ne daje jasne linije na uzorku difrakcije rendgenskih zraka, a reflektirani rendgenski zraci se raspoređuju po cijelom rasponu uglova paše.

Nakon neutronskog zračenja, na dijagramima difrakcije rendgenskih zraka pojavljuju se dodatne mrlje (difuzni maksimumi). Radioaktivni raspad također uzrokuje specifične rendgenske efekte povezane s promjenama u strukturi, kao i činjenicom da sam uzorak koji se proučava postaje izvor rendgenskog zračenja.

X-RAY
nevidljivo zračenje sposobno da prodre, iako u različitom stepenu, u sve supstance. To je elektromagnetno zračenje s talasnom dužinom od oko 10-8 cm, kao i vidljiva svjetlost, rendgensko zračenje uzrokuje pocrnjenje fotografskog filma. Ova nekretnina je važna za medicinu, industriju i naučna istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim padajući na fotografski film, rendgensko zračenje oslikava njegovu unutrašnju strukturu na njemu. Budući da je penetraciona moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi objekta koji su za njega manje transparentni proizvode svjetlije dijelove na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Dakle, koštano tkivo je manje transparentno za rendgenske zrake od tkiva koje čini kožu i unutrašnje organe. Stoga će na rendgenskom snimku kosti izgledati kao svjetlija područja, a mjesto prijeloma, koje je transparentnije za zračenje, može se vrlo lako otkriti. Rendgen se također koristi u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, te u industriji za otkrivanje pukotina na odljevcima, plastici i gumama. X-zrake se koriste u hemiji za analizu jedinjenja i u fizici za proučavanje strukture kristala. Rendgenski snop koji prolazi kroz hemijsko jedinjenje proizvodi karakteristično sekundarno zračenje, čija spektroskopska analiza omogućava hemičaru da odredi sastav jedinjenja. Prilikom pada na kristalnu tvar, snop rendgenskih zraka se raspršuje od strane atoma kristala, dajući jasnu, pravilnu sliku mrlja i pruga na fotografskoj ploči, što omogućava utvrđivanje unutrašnje strukture kristala. Upotreba rendgenskih zraka u liječenju raka temelji se na činjenici da ubija ćelije raka. Međutim, može imati i neželjene efekte na normalne ćelije. Stoga se pri korištenju rendgenskih zraka na ovaj način mora biti krajnji oprez. Rentgensko zračenje otkrio je njemački fizičar W. Roentgen (1845-1923). Njegovo ime je ovjekovječeno u nekoliko drugih fizičkih izraza povezanih s ovim zračenjem: rendgenski rendgen je međunarodna jedinica doze jonizujućeg zračenja; slika snimljena rendgenskim aparatom naziva se radiografija; Područje radiološke medicine koje koristi rendgenske zrake za dijagnosticiranje i liječenje bolesti naziva se radiologija. Roentgen je otkrio radijaciju 1895. dok je bio profesor fizike na Univerzitetu u Würzburgu. Provodeći eksperimente s katodnim zracima (tokovi elektrona u cijevima za pražnjenje), primijetio je da ekran smješten u blizini vakuumske cijevi, prekriven kristalnim barij cijanoplatinitom, svijetli jako, iako je sama cijev bila prekrivena crnim kartonom. Roentgen je dalje utvrdio da sposobnost prodiranja nepoznatih zraka koje je otkrio, a koje je nazvao X-zracima, ovisi o sastavu materijala koji apsorbira. Takođe je dobio sliku kostiju svoje ruke tako što je postavio između cevi za pražnjenje sa katodnim zracima i ekrana obloženog barijum cijanoplatinitom. Rentgenovo otkriće pratili su eksperimenti drugih istraživača koji su otkrili mnoga nova svojstva i primjene ovog zračenja. Veliki doprinos dali su M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, koji su 1912. demonstrirali difrakciju rendgenskog zračenja pri prolasku kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio rendgensku cijev visokog vakuuma sa zagrijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. godine uspostavio vezu između talasne dužine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Bragg, koji su 1915. dobili Nobelovu nagradu za razvoj osnova rendgenske strukturne analize.
PRIJEM RTG ZRAKA
Rendgensko zračenje nastaje kada elektroni koji se kreću velikom brzinom stupaju u interakciju s materijom. Kada se elektroni sudare s atomima bilo koje tvari, oni brzo gube svoju kinetičku energiju. U ovom slučaju, većina se pretvara u toplinu, a mali dio, obično manje od 1%, pretvara se u energiju rendgenskih zraka. Ova energija se oslobađa u obliku kvanta – čestica zvanih fotoni, koji imaju energiju, ali čija je masa mirovanja nula. Rentgenski fotoni se razlikuju po svojoj energiji, koja je obrnuto proporcionalna njihovoj talasnoj dužini. Konvencionalna metoda proizvodnje rendgenskih zraka proizvodi širok raspon valnih duljina, koji se naziva rendgenski spektar. Spektar sadrži izražene komponente, kao što je prikazano na sl. 1. Široki “kontinuum” naziva se kontinuirani spektar ili bijelo zračenje. Oštri vrhovi koji su postavljeni na njega nazivaju se karakterističnim linijama rendgenske emisije. Iako je cijeli spektar rezultat sudara elektrona sa materijom, mehanizmi za pojavu njegovog širokog dijela i linija su različiti. Supstanca se sastoji od velikog broja atoma, od kojih svaki ima jezgro okruženo elektronskim omotačima, a svaki elektron u ljusci atoma datog elementa zauzima određeni diskretni energetski nivo. Obično su ove ljuske, ili energetski nivoi, označeni simbolima K, L, M, itd., počevši od ljuske koja je najbliža jezgru. Kada upadni elektron sa dovoljnim odlična energija, sudari se s jednim od elektrona povezanih s atomom, izbacuje ovaj elektron iz njegove ljuske. Prazan prostor zauzima drugi elektron iz ljuske, što odgovara višoj energiji. Ovo posljednje oslobađa višak energije emitujući rendgenski foton. Pošto elektroni ljuske imaju diskretne vrijednosti energije, rezultirajući fotoni X-zraka također imaju diskretni spektar. Ovo odgovara oštrim vrhovima za određene valne dužine, čije specifične vrijednosti zavise od ciljnog elementa. Karakteristične linije čine K-, L- i M-seriju, ovisno o tome iz koje je ljuske (K, L ili M) uklonjen elektron. Odnos između talasne dužine X zraka i atomskog broja naziva se Moseleyjev zakon (slika 2).

Ako se elektron sudari sa relativno teškim jezgrom, on se usporava, a njegova kinetička energija se oslobađa u obliku rendgenskog fotona približno iste energije. Ako proleti pored jezgra, izgubit će samo dio svoje energije, a ostatak će se prenijeti na druge atome koji mu naiđu na putu. Svaki čin gubitka energije dovodi do emisije fotona s određenom energijom. Pojavljuje se kontinuirani rendgenski spektar čija gornja granica odgovara energiji najbržeg elektrona. Ovo je mehanizam za formiranje kontinuiranog spektra, a maksimalna energija (ili minimalna talasna dužina) koja fiksira granicu kontinuiranog spektra proporcionalna je naponu ubrzanja, koji određuje brzinu upadnih elektrona. Spektralne linije karakterišu materijal bombardovane mete, a kontinuirani spektar je određen energijom elektronskog snopa i praktično je nezavisan od materijala mete. Rendgensko zračenje se može dobiti ne samo bombardiranjem elektrona, već i zračenjem mete rendgenskim zračenjem iz drugog izvora. U ovom slučaju, međutim, većina energije upadnog snopa odlazi u karakteristični rendgenski spektar, a vrlo mali dio pada u kontinuirani spektar. Očigledno je da snop upadnog rendgenskog zračenja mora sadržavati fotone čija je energija dovoljna da pobudi karakteristične linije bombardiranog elementa. Visok procenat energije po karakterističnom spektru čini ovu metodu pobuđivanja rendgenskog zračenja pogodnom za naučna istraživanja.
Rendgenske cijevi. Da biste proizveli rendgenske zrake kroz interakciju elektrona sa materijom, trebate imati izvor elektrona, sredstvo za njihovo ubrzanje do velikih brzina i metu koja može izdržati bombardiranje elektrona i proizvoditi rendgenske zrake potrebnog intenziteta. Uređaj koji sadrži sve to naziva se rendgenska cijev. Rani istraživači koristili su "duboko evakuirane" cijevi kao što su moderne cijevi za pražnjenje plina. Vakum u njima nije bio veliki. Cijevi za pražnjenje sadrže male količine plina, a kada se na elektrode cijevi primjenjuje velika razlika potencijala, atomi plina se pretvaraju u pozitivne i negativne ione. Pozitivni se kreću prema negativnoj elektrodi (katodi) i padajući na nju izbijaju elektrone iz nje, a oni se zauzvrat kreću prema pozitivnoj elektrodi (anodi) i bombardirajući je stvaraju tok rendgenskih fotona. . U modernoj rendgenskoj cijevi koju je razvio Coolidge (slika 3), izvor elektrona je volframova katoda zagrijana na visoku temperaturu. Visoka razlika potencijala između anode (ili anti-katode) i katode ubrzava elektrone do velikih brzina. Budući da elektroni moraju doći do anode bez sudara s atomima, neophodan je vrlo visok vakuum, što zahtijeva da cijev bude dobro evakuisana. Ovo također smanjuje vjerovatnoću jonizacije preostalih atoma plina i rezultirajuće bočne struje.

Elektroni se fokusiraju na anodu pomoću posebno oblikovane elektrode koja okružuje katodu. Ova elektroda se naziva elektroda za fokusiranje i zajedno sa katodom čini "elektronski reflektor" cijevi. Anoda podvrgnuta bombardovanju elektrona mora biti izrađena od vatrostalnog materijala, jer se većina kinetičke energije bombardirajućih elektrona pretvara u toplinu. Osim toga, poželjno je da anoda bude izrađena od materijala sa visokim atomskim brojem, jer Prinos rendgenskih zraka raste sa povećanjem atomskog broja. Materijal anode koji se najčešće bira je volfram, čiji je atomski broj 74. Dizajn rendgenskih cijevi može varirati ovisno o uvjetima korištenja i zahtjevima.
DETEKCIJA X-ZRAKA
Sve metode za detekciju rendgenskih zraka temelje se na njihovoj interakciji sa materijom. Detektori mogu biti dva tipa: oni koji daju sliku i oni koji ne daju. Prvi uključuju uređaje za rendgensku fluorografiju i fluoroskopiju, u kojima snop rendgenskog zračenja prolazi kroz predmet koji se proučava, a preneseno zračenje pogađa luminiscentni ekran ili fotografski film. Slika se pojavljuje zbog činjenice da različiti dijelovi objekta koji se proučava različito apsorbiraju zračenje - ovisno o debljini tvari i njenom sastavu. Kod detektora sa fluorescentnim ekranom, energija rendgenskog zraka se pretvara u direktno vidljivu sliku, dok se u radiografiji snima na osjetljivoj emulziji i može se promatrati tek nakon što se film razvije. Drugi tip detektora uključuje široku paletu uređaja u kojima se energija rendgenskog zračenja pretvara u električne signale koji karakteriziraju relativni intenzitet zračenja. To uključuje jonizacijske komore, Geigerove brojače, proporcionalne brojače, scintilacijske brojače i neke specijalne detektore kadmijum sulfida i selenida. Trenutno se najefikasnijim detektorima mogu smatrati scintilacioni brojači, koji dobro rade u širokom rasponu energije.
vidi takođe DETEKTORI ČESTICA. Detektor se bira uzimajući u obzir uslove zadatka. Na primjer, ako trebate precizno izmjeriti intenzitet difraktiranog rendgenskog zračenja, tada se koriste brojači koji vam omogućavaju da izvršite mjerenja s točnošću od djelića postotka. Ako trebate registrirati puno difrakiranih zraka, onda je preporučljivo koristiti rendgenski film, iako je u ovom slučaju nemoguće odrediti intenzitet s istom preciznošću.
RTG I GAMA DEFEKTOSKOPIJA
Jedna od najčešćih upotreba rendgenskih zraka u industriji je kontrola kvaliteta materijala i detekcija grešaka. Rendgenska metoda je nedestruktivna, tako da se materijal koji se ispituje, ako se utvrdi da zadovoljava potrebne zahtjeve, može koristiti za svoju namjenu. I rendgenska i gama detekcija grešaka zasnivaju se na penetracijskoj sposobnosti rendgenskog zračenja i karakteristikama njegove apsorpcije u materijalima. Probojna snaga je određena energijom rendgenskih fotona, koja ovisi o naponu ubrzanja u rendgenskoj cijevi. Stoga, debeli uzorci i uzorci od teških metala, poput zlata i uranijuma, zahtijevaju izvor rendgenskih zraka većeg napona za njihovo proučavanje, dok je za tanke uzorke dovoljan izvor nižeg napona. Za detekciju gama grešaka kod vrlo velikih odlivaka i velikih valjanih proizvoda koriste se betatroni i linearni akceleratori koji ubrzavaju čestice do energije od 25 MeV ili više. Apsorpcija rendgenskog zračenja u materijalu zavisi od debljine apsorbera d i koeficijenta apsorpcije m i određena je formulom I = I0e-md, gde je I intenzitet zračenja koje prolazi kroz apsorber, I0 je intenzitet upadnog zračenja, a e = 2,718 je baza prirodnih logaritama. Za dati materijal na datoj talasnoj dužini (ili energiji) rendgenskog zračenja, koeficijent apsorpcije je konstanta. Ali zračenje iz izvora rendgenskih zraka nije jednobojno, već sadrži širok raspon talasne dužine, usled čega apsorpcija pri istoj debljini apsorbera zavisi od talasne dužine (frekvencije) zračenja. Rentgensko zračenje se široko koristi u svim industrijama koje se odnose na oblikovanje metala. Takođe se koristi za ispitivanje artiljerijskih cevi, prehrambenih proizvoda, plastike, kao i za ispitivanje složenih uređaja i sistema u elektronskoj tehnologiji. (Neutronografija, koja koristi neutronske zrake umjesto rendgenskih zraka, koristi se u slične svrhe.) X-zrake se također koriste u druge svrhe, kao što je ispitivanje slika kako bi se utvrdila njihova autentičnost ili otkrivanje dodatnih slojeva boje na vrhu osnovnog sloja .
DIFRAKCIJA X-ZRAKA
Difrakcija rendgenskih zraka daje važne informacije o čvrste materije - njihovu atomsku strukturu i oblik kristala, kao i o tečnostima, amorfnim čvrstim materijama i velikim molekulima. Metoda difrakcije se također koristi za precizno (sa greškom manjom od 10-5) određivanje međuatomskih udaljenosti, identifikaciju napona i defekata i određivanje orijentacije monokristala. Koristeći uzorak difrakcije, možete identificirati nepoznate materijale, kao i otkriti prisutnost nečistoća u uzorku i identificirati ih. Važnost metode difrakcije rendgenskih zraka za napredak moderne fizike teško se može precijeniti, budući da se savremeno razumijevanje svojstava materije u konačnici zasniva na podacima o rasporedu atoma u različitim hemijskim jedinjenjima, prirodi veza između njih. i strukturne defekte. Glavni alat za dobijanje ovih informacija je metoda difrakcije rendgenskih zraka. Kristalografija difrakcije rendgenskih zraka je kritična za određivanje strukture složenih velikih molekula, kao što su molekuli deoksiribonukleinske kiseline (DNK), genetski materijal živih organizama. Neposredno nakon otkrića rendgenskih zraka, naučni i medicinski interesi su se fokusirali kako na sposobnost ovog zračenja da prodire u tijela, tako i na njegovu prirodu. Eksperimenti o difrakciji rendgenskog zračenja na prorezima i difrakcionim rešetkama pokazali su da ono pripada elektromagnetskom zračenju i da ima talasnu dužinu reda 10-8-10-9 cm. Još ranije su naučnici, posebno W. Barlow, pretpostavili da pravilan i simetričan oblik prirodnih kristala je zbog uređenog rasporeda atoma koji formiraju kristal. U nekim slučajevima, Barlow je mogao ispravno predvidjeti kristalnu strukturu. Vrijednost predviđenih međuatomskih udaljenosti bila je 10-8 cm. Činjenica da su međuatomske udaljenosti bile veličine rendgenske valne dužine omogućila je, u principu, promatranje njihove difrakcije. Rezultat je bio dizajn jednog od najvažnijih eksperimenata u historiji fizike. M. Laue je organizovao eksperimentalno testiranje ove ideje, koje su izveli njegove kolege W. Friedrich i P. Knipping. Godine 1912. njih trojica su objavili svoj rad o rezultatima difrakcije rendgenskih zraka. Principi difrakcije rendgenskih zraka. Da bismo razumjeli fenomen difrakcije rendgenskih zraka, moramo razmotriti redom: prvo, spektar rendgenskog zračenja, drugo, prirodu kristalne strukture, i treće, sam fenomen difrakcije. Kao što je gore pomenuto, karakteristično rendgensko zračenje se sastoji od niza spektralnih linija sa visokim stepenom monohromatičnosti, određenih materijalom anode. Koristeći filtere možete istaknuti one najintenzivnije. Dakle, odgovarajućim odabirom anodnog materijala moguće je dobiti izvor gotovo monohromatskog zračenja sa vrlo precizno definisanom talasnom dužinom. Karakteristične valne dužine zračenja se obično kreću od 2,285 za hrom do 0,558 za srebro (vrijednosti za različite elemente poznate su na šest značajnih cifara). Karakteristični spektar je superponiran na kontinuirani "bijeli" spektar mnogo nižeg intenziteta, zbog usporavanja upadnih elektrona u anodi. Tako se iz svake anode mogu dobiti dvije vrste zračenja: karakteristično i kočno, od kojih svaka igra važnu ulogu na svoj način. Atomi u kristalnoj strukturi su raspoređeni s pravilnom periodičnošću, formirajući niz identičnih ćelija – prostornu rešetku. Neke rešetke (kao što su one za najčešće metale) su prilično jednostavne, dok su druge (kao što su one za proteinske molekule) prilično složene. Sljedeće je karakteristično za kristalnu strukturu: ako se pomakne od određene date tačke jedne ćelije do odgovarajuće tačke susjedne ćelije, tada će se otkriti potpuno isto atomsko okruženje. A ako se određeni atom nalazi u jednoj ili drugoj tački u jednoj ćeliji, tada će se isti atom nalaziti na ekvivalentnoj tački u bilo kojoj susjednoj ćeliji. Ovaj princip striktno vrijedi za savršen, idealno uređen kristal. Međutim, mnogi kristali (na primjer, metalne čvrste otopine) su u jednom ili drugom stepenu neuređene, tj. kristalografski ekvivalentna mjesta mogu biti zauzeta različitim atomima. U tim slučajevima nije određen položaj svakog atoma, već samo položaj atoma „statistički prosječan” na velikom broju čestica (ili ćelija). Fenomen difrakcije razmatra se u članku OPTIKA i čitalac se može pozvati na taj članak prije nego što nastavi dalje. Pokazuje da ako valovi (na primjer, zvuk, svjetlost, rendgenski zraci) prolaze kroz mali prorez ili rupu, onda se potonji može smatrati sekundarnim izvorom valova, a slika proreza ili rupe sastoji se od naizmjenične svjetlosti i tamne pruge. Nadalje, ako postoji periodična struktura rupa ili proreza, tada se kao rezultat pojačavanja i slabljenja interferencije zraka koje dolaze iz različitih rupa pojavljuje jasan uzorak difrakcije. Difrakcija rendgenskih zraka je kolektivna pojava raspršenja u kojoj ulogu rupa i centara raspršenja imaju periodično raspoređeni atomi kristalne strukture. Međusobno poboljšanje njihovih slika pod određenim uglovima proizvodi difrakcijski uzorak sličan onom koji bi nastao kada bi svjetlost bila difrakcija na trodimenzionalnoj difrakcijskoj rešetki. Do raspršivanja dolazi zbog interakcije upadnih rendgenskih zraka s elektronima u kristalu. Zbog činjenice da je talasna dužina rendgenskih zraka istog reda veličine kao i veličina atoma, talasna dužina raspršenih rendgenskih zraka je ista kao i upadne rendgenske zrake. Ovaj proces je rezultat prisilnih oscilacija elektrona pod uticajem upadnog rendgenskog zračenja. Zamislite sada atom sa oblakom vezanih elektrona (oko jezgra) koji je pogođen rendgenskim zracima. Elektroni u svim smjerovima istovremeno raspršuju upadno zračenje i emituju vlastito rendgensko zračenje iste valne dužine, iako različitog intenziteta. Intenzitet raspršenog zračenja povezan je sa atomskim brojem elementa, jer atomski broj jednak je broju orbitalnih elektrona koji mogu učestvovati u rasejanju. (Ovu ovisnost intenziteta od atomskog broja raspršivača i smjera u kojem se intenzitet mjeri karakterizira faktor atomskog raspršenja, koji igra izuzetno važnu ulogu u analizi strukture kristala.) odaberite u kristalnoj strukturi linearni lanac atoma koji se nalaze na istoj udaljenosti jedan od drugog i razmotrite njihov uzorak difrakcije. Već je napomenuto da se rendgenski spektar sastoji od kontinuiranog dijela („kontinuuma“) i skupa intenzivnijih linija karakterističnih za element koji je anodni materijal. Recimo da smo filtrirali kontinuirani spektar i dobili gotovo monohromatski snop rendgenskih zraka usmjerenih na naš linearni lanac atoma. Uvjet pojačanja (pojačavajuća interferencija) je zadovoljen ako je razlika u putanjama valova raspršenih susjednim atomima višestruka valne dužine. Ako snop pada pod uglom a0 na liniju atoma razdvojenih intervalima a (period), tada će za ugao difrakcije a razlika putanje koja odgovara pojačanju biti zapisana kao a(cos a - cosa0) = hl, gdje je l je talasna dužina, a h cijeli broj (sl. 4 i 5).

Da bi se ovaj pristup proširio na trodimenzionalni kristal, potrebno je samo odabrati redove atoma duž dva druga smjera u kristalu i zajedno riješiti tri tako dobivene jednadžbe za tri kristalne ose s periodima a, b i c. Druge dvije jednačine imaju oblik

Ovo su tri osnovne Laueove jednačine za difrakciju rendgenskih zraka, sa brojevima h, k i c koji su Millerovi indeksi za ravan difrakcije.
vidi takođe KRISTALI I KRISTALOGRAFIJA. Uzimajući u obzir bilo koju od Laueovih jednadžbi, na primjer prvu, možete primijetiti da pošto su a, a0, l konstante i h = 0, 1, 2, ..., njeno rješenje se može predstaviti kao skup čunjeva sa zajednička osa a (sl. 5). Isto vrijedi i za pravce b i c. U opštem slučaju trodimenzionalnog rasejanja (difrakcije), tri Laueove jednačine moraju imati zajedničko rešenje, tj. tri difrakciona konusa koja se nalaze na svakoj od osi moraju se ukrštati; opšta linija preseka je prikazana na sl. 6. Zajedničko rješenje jednačina dovodi do Bragg-Wolfeovog zakona:

l = 2(d/n)sinq, gdje je d udaljenost između ravnina s indeksima h, k i c (period), n = 1, 2, ... su cijeli brojevi (red difrakcije), a q je ugao formirao upadnu zraku (kao i difrakcionu) sa ravninom kristala u kojoj se javlja difrakcija. Analizirajući jednadžbu Bragg-Wolfeovog zakona za jedan kristal koji se nalazi na putanji monokromatskog snopa rendgenskih zraka, možemo zaključiti da difrakciju nije lako uočiti, jer veličine l i q su fiksne, a sinq METODE ANALIZE DIFRAKCIJE
Laue metoda. Laueova metoda koristi kontinuirani "bijeli" spektar rendgenskog zračenja, koje je usmjereno na stacionarni monokristal. Za određenu vrijednost perioda d, talasna dužina koja odgovara Bragg-Wulfovom uslovu se automatski bira iz cijelog spektra. Lauegrami dobiveni na ovaj način omogućavaju prosuđivanje smjerova difraktiranih zraka i, posljedično, orijentacije ravnina kristala, što također omogućava donošenje važnih zaključaka o simetriji, orijentaciji kristala i prisutnosti nedostataka u njemu. U ovom slučaju, međutim, informacija o prostornom periodu d se gubi. Na sl. 7 prikazuje primjer Lauegrama. Rendgenski film se nalazio na strani kristala suprotnoj onoj na koju je pao snop rendgenskog zraka iz izvora.

Debye-Scherrerova metoda (za polikristalne uzorke). Za razliku od prethodne metode, ovdje se koristi monohromatsko zračenje (l = const), a ugao q se mijenja. To se postiže korištenjem polikristalnog uzorka koji se sastoji od brojnih malih kristalita nasumične orijentacije, među kojima ima i onih koji zadovoljavaju Bragg-Wulfov uvjet. Difraktirani snopovi formiraju čunjeve čija je os usmjerena duž snopa X zraka. Za snimanje se obično koristi uska traka rendgenskog filma u cilindričnoj kaseti, a rendgenski zraci se distribuiraju duž promjera kroz rupe u filmu. Ovako dobijen Debyegram (slika 8) sadrži tačne podatke o periodu d, tj. o strukturi kristala, ali ne daje informacije koje Lauegram sadrži. Stoga se obje metode međusobno nadopunjuju. Razmotrimo neke primjene Debye-Scherrerove metode.

Identifikacija hemijskih elemenata i jedinjenja. Koristeći ugao q određen iz Debye dijagrama, moguće je izračunati međuplanarnu udaljenost d karakteristiku datog elementa ili veze. Trenutno je sastavljeno mnogo tablica d vrijednosti koje omogućavaju identifikaciju ne samo određenog kemijskog elementa ili spoja, već i različitih faznih stanja iste tvari, što nije uvijek moguće putem kemijske analize. Takođe je moguće sa velikom preciznošću odrediti sadržaj druge komponente u supstitucijskim legurama iz zavisnosti perioda d o koncentraciji.
Analiza stresa. Na osnovu izmjerene razlike međuplanarnih razmaka za različite smjerove u kristalima, moguće je, poznavajući modul elastičnosti materijala, izračunati mala naprezanja u njemu sa velikom preciznošću.
Studije preferencijalne orijentacije u kristalima. Ako mali kristaliti u polikristalnom uzorku nisu potpuno nasumično orijentirani, tada će prstenovi u Debye uzorku imati različite intenzitete. U prisustvu jasno izražene preferencijalne orijentacije, maksimumi intenziteta su koncentrisani u pojedinačnim tačkama na slici, koja postaje slična slici za pojedinačni kristal. Na primjer, tokom dubokog hladnog valjanja, metalni lim poprima teksturu - izraženu orijentaciju kristalita. Debye dijagram se može koristiti za procjenu prirode hladne obrade materijala.
Proučavanje veličina zrna. Ako je veličina zrna polikristala veća od 10-3 cm, tada će se linije na Debye dijagramu sastojati od pojedinačnih mrlja, jer u ovom slučaju broj kristalita nije dovoljan da pokrije cijeli raspon uglova q. Ako je veličina kristalita manja od 10-5 cm, tada difrakcijske linije postaju šire. Njihova širina je obrnuto proporcionalna veličini kristalita. Širenje se javlja iz istog razloga zbog kojeg kada se broj proreza smanjuje, rezolucija difrakcione rešetke se smanjuje. Rentgensko zračenje omogućava određivanje veličine zrna u rasponu od 10-7-10-6 cm.
Metode za monokristale. Da bi difrakcija na kristalu pružila informacije ne samo o prostornom periodu, već io orijentaciji svakog skupa ravan difrakcije, koriste se metode rotirajućih monokristala. Monokromatski snop rendgenskih zraka pada na kristal. Kristal se rotira oko glavne ose, za šta su Laueove jednačine zadovoljene. U ovom slučaju se mijenja ugao q, koji je uključen u Bragg-Wulfovu formulu. Difrakcijski maksimumi se nalaze na presjeku Laueovih difrakcijskih konusa sa cilindričnom površinom filma (slika 9). Rezultat je difrakcijski uzorak tipa prikazan na Sl. 10. Međutim, moguće su komplikacije zbog preklapanja različitih redova difrakcije u jednoj tački. Metoda se može značajno poboljšati ako se istovremeno s rotacijom kristala na određeni način pomjera film.

Istraživanje tečnosti i gasova. Poznato je da tečnosti, gasovi i amorfna tela nemaju ispravnu kristalnu strukturu. Ali i ovdje postoji kemijska veza između atoma u molekulima, zbog čega udaljenost između njih ostaje gotovo konstantna, iako su sami molekuli nasumično orijentirani u prostoru. Takvi materijali također proizvode difrakcijski uzorak s relativno malim brojem zamućenih maksimuma. Obrada takve slike savremenim metodama omogućava da se dobiju informacije o strukturi čak i takvih nekristalnih materijala.
SPEKTROHEMIJSKA ANALIZA X-ZRAKA
Samo nekoliko godina nakon otkrića rendgenskih zraka, Charles Barkla (1877-1944) je otkrio da kada je supstanca izložena fluksu rendgenskih zraka visoke energije, nastaju sekundarne fluorescentne rendgenske zrake, karakteristične za element koji se proučava. Ubrzo nakon toga, G. Moseley je u nizu eksperimenata izmjerio valne dužine primarnog karakterističnog rendgenskog zračenja dobivenog elektronskim bombardiranjem različitih elemenata i izveo odnos između valne dužine i atomskog broja. Ovi eksperimenti, kao i Braggov pronalazak rendgenskog spektrometra, postavili su temelje za spektrohemijsku analizu rendgenskih zraka. Potencijal rendgenskih zraka za hemijsku analizu je odmah ostvaren. Spektrografi su kreirani uz snimanje na fotografskoj ploči, u kojoj je ispitivani uzorak služio kao anoda rendgenske cijevi. Nažalost, ispostavilo se da je ova tehnika vrlo radno intenzivna, te se stoga koristila samo kada konvencionalne metode kemijske analize nisu bile primjenjive. Izvanredan primjer inovativnog istraživanja u oblasti analitičke rendgenske spektroskopije bilo je otkriće 1923. novog elementa, hafnija, od strane G. Hevesyja i D. Costera. Razvoj moćnih rendgenskih cijevi za radiografiju i osjetljivih detektora za radiohemijska mjerenja tokom Drugog svjetskog rata bio je u velikoj mjeri odgovoran za brzi rast rendgenske spektrografije u narednim godinama. Ova metoda je dobila široku upotrebu zbog brzine, praktičnosti, nedestruktivne prirode analize i mogućnosti potpune ili djelomične automatizacije. Primjenjiv je u zadacima kvantitativne i kvalitativne analize svih elemenata sa atomskim brojem većim od 11 (natrijum). Iako se spektrohemijska analiza X zraka obično koristi za određivanje kritičnih komponenti u uzorku (0,1-100%), u nekim slučajevima je korisna za koncentracije od 0,005% ili čak niže.
Rendgenski spektrometar. Savremeni rendgenski spektrometar se sastoji od tri glavna sistema (slika 11): sistema ekscitacije, tj. Rentgenska cijev sa anodom od volframa ili drugog vatrostalnog materijala i napajanjem; sistemi analize, tj. kristal analizator sa dva kolimatora sa više proreza, kao i spektrogoniometar za precizno podešavanje; i sistemi za snimanje sa Geigerovim brojačem ili proporcionalnim ili scintilacionim brojačem, kao i ispravljač, pojačalo, uređaji za skaliranje i snimač ili drugi uređaj za snimanje.

Rentgenska fluorescentna analiza. Analizirani uzorak se nalazi na putu uzbudljivog rendgenskog zračenja. Područje uzorka koji se proučava obično je izolirano maskom s rupom potrebnog promjera, a zračenje prolazi kroz kolimator koji formira paralelni snop. Iza kristala analizatora, prorezni kolimator proizvodi difraktirano zračenje za detektor. Tipično, maksimalni ugao q je ograničen na 80-85°, tako da samo rendgensko zračenje čija je talasna dužina l povezana sa interplanarnom udaljenosti d nejednakošću l može difraktirati na kristalu analizatora Rentgenska mikroanaliza. Gore opisani spektrometar za analizu ravnih kristala može se prilagoditi za mikroanalizu. Ovo se postiže sužavanjem ili primarnog snopa rendgenskih zraka ili sekundarnog snopa koji emituje uzorak. Međutim, smanjenje efektivne veličine uzorka ili otvora zračenja dovodi do smanjenja intenziteta snimljenog difraktiranog zračenja. Poboljšanje ove metode može se postići korištenjem spektrometra sa zakrivljenim kristalom, koji omogućava snimanje konusa divergentnog zračenja, a ne samo zračenja paralelnog s osi kolimatora. Pomoću takvog spektrometra mogu se identificirati čestice manje od 25 mikrona. Još veće smanjenje veličine analiziranog uzorka postiže se rendgenskim mikroanalizatorom elektronske sonde, koji je izumio R. Kasten. Ovdje visoko fokusirani snop elektrona pobuđuje karakteristično rendgensko zračenje uzorka, koje se zatim analizira pomoću zakrivljenog kristalnog spektrometra. Pomoću takvog uređaja moguće je detektovati količine supstance reda veličine 10-14 g u uzorku prečnika 1 mikron. Razvijene su i instalacije sa skeniranjem uzorka elektronskim snopom uz pomoć kojih je moguće dobiti dvodimenzionalnu sliku raspodjele po uzorku elementa za čije je karakteristično zračenje spektrometar podešen.
MEDICINSKA RTG DIJAGNOSTIKA
Razvoj tehnologije rendgenske studije omogućilo nam je da značajno smanjimo vrijeme ekspozicije i poboljšamo kvalitetu slike, što nam je omogućilo da proučavamo čak i meka tkiva.
Fluorografija. Ova dijagnostička metoda uključuje fotografisanje slike u sjeni sa ekrana za prijenos. Pacijent se nalazi između izvora rendgenskih zraka i ravnog fosfornog ekrana (obično cezijum jodida), koji svijetli kada je izložen rendgenskim zracima. Biološka tkiva različitog stepena gustine stvaraju rendgenske senke različitog stepena intenziteta. Radiolog pregleda sjenčanu sliku na fluorescentnom ekranu i postavlja dijagnozu. U prošlosti, radiolog se oslanjao na viziju za analizu slika. Sada postoje različiti sistemi koji poboljšavaju sliku, prikazuju je na televizijskom ekranu ili snimaju podatke u memoriju računara.
Radiografija. Snimanje rendgenskih snimaka direktno na fotografski film naziva se radiografija. U ovom slučaju, organ koji se proučava nalazi se između izvora rendgenskih zraka i fotografskog filma, koji bilježi informaciju o stanju organa u datom trenutku. Ponovljena radiografija omogućava suditi o njenoj daljnjoj evoluciji. Radiografija omogućava vrlo precizno ispitivanje integriteta koštanog tkiva koje se sastoji uglavnom od kalcijuma i neprozirno je za rendgensko zračenje, kao i rupture mišićnog tkiva. Uz njegovu pomoć, bolje od stetoskopa ili slušanja, analizira se stanje pluća u slučaju upale, tuberkuloze ili prisustva tečnosti. Rendgen se koristi za određivanje veličine i oblika srca, kao i dinamike njegovih promjena kod pacijenata koji boluju od srčanih bolesti.
Kontrastna sredstva. Dijelovi tijela i šupljine pojedinih organa koji su transparentni za rendgensko zračenje postaju vidljivi ako su ispunjeni kontrastnim sredstvom koje je bezopasno za tijelo, ali omogućava vizualizaciju oblika. unutrašnje organe i provjeriti njihovo funkcioniranje. Pacijent ili oralno uzima kontrastna sredstva (kao što su soli barija tokom pregleda gastrointestinalnog trakta), ili se daju intravenozno (kao što su rastvori koji sadrže jod prilikom pregleda bubrega i urinarnog trakta). Poslednjih godina, međutim, ove metode su zamenjene dijagnostičkim metodama zasnovanim na upotrebi radioaktivnih atoma i ultrazvuka.
CT skener. 1970-ih godina razvijena je nova metoda rendgenska dijagnostika, na osnovu cijelog tijela ili njegovih dijelova. Slike tankih slojeva („kriške“) se obrađuju računarom, a konačna slika se prikazuje na ekranu monitora. Ova metoda se naziva kompjuterizovana rendgenska tomografija. Široko se koristi u savremenoj medicini za dijagnosticiranje infiltrata, tumora i drugih moždanih poremećaja, kao i za dijagnostiku bolesti mekih tkiva unutar tijela. Ova tehnika ne zahtijeva uvođenje stranih kontrastnih sredstava i stoga je brža i učinkovitija od tradicionalnih tehnika.
BIOLOŠKI EFEKAT RTG ZRAČENJA
Štetni biološki efekti rendgenskog zračenja otkriveni su ubrzo nakon što ga je otkrio Roentgen. Ispostavilo se da novo zračenje može izazvati nešto poput jakih opekotina od sunca (eritema), praćenih, međutim, dubljim i trajnijim oštećenjem kože. Čirevi koji su se pojavljivali često su se pretvarali u rak. U mnogim slučajevima, prsti ili šake su morali biti amputirani. Bilo je i smrtnih slučajeva. Utvrđeno je da se oštećenje kože može izbjeći smanjenjem vremena izlaganja i doze, korištenjem zaštite (npr. olovo) i daljinskih upravljača. Ali postupno su se pojavili i drugi, dugoročniji efekti zračenja rendgenskim zrakama, koji su potom potvrđeni i proučavani na eksperimentalnim životinjama. Efekti izazvani rendgenskim zračenjem, kao i drugim jonizujućim zračenjem (kao što je gama zračenje koje emituju radioaktivni materijali) obuhvataju: 1) privremene promene u sastavu krvi nakon relativno malog prekomernog izlaganja; 2) nepovratne promjene u sastavu krvi ( hemolitička anemija) nakon dužeg prekomjernog izlaganja; 3) povećana incidencija raka (uključujući leukemiju); 4) brže starenje i ranija smrt; 5) pojava katarakte. Osim toga, biološki eksperimenti na miševima, zečevima i voćnim mušicama pokazali su da čak i male doze sistematskog zračenja velikih populacija zbog povećanja stope mutacije dovode do štetnih genetskih efekata. Većina genetičara prepoznaje primjenjivost ovih podataka na ljudsko tijelo. Što se tiče biološkog efekta rendgenskog zračenja na ljudski organizam, ono je određeno visinom doze zračenja, kao i to koji organ tijela je bio izložen zračenju. Na primjer, bolesti krvi su uzrokovane zračenjem hematopoetskih organa, uglavnom koštane srži, te genetske posljedice - zračenje genitalnih organa, što može dovesti i do steriliteta. Akumulacija znanja o uticaju rendgenskog zračenja na ljudski organizam dovela je do razvoja nacionalnih i međunarodnih standarda za dozvoljene doze zračenja, objavljenih u različitim referentnim publikacijama. Pored rendgenskog zračenja, koje ljudi namenski koriste, postoji i takozvano rasejano, bočno zračenje koje nastaje od raznih razloga, na primjer, zbog rasipanja zbog nesavršenosti olovnog zaštitnog ekrana, koji ne apsorbira u potpunosti ovo zračenje. Osim toga, mnogi električni uređaji koji nisu dizajnirani da proizvode X-zrake ipak ih stvaraju kao nusproizvod. Takvi uređaji uključuju elektronske mikroskope, visokonaponske ispravljačke lampe (kenotrone), kao i slikovne cijevi zastarjelih televizora u boji. Proizvodnja modernih slikovnih cijevi u boji u mnogim zemljama sada je pod kontrolom vlade.
OPASNOSTI OD RTG ZRAČENJA
Vrste i stepen opasnosti od rendgenskog zračenja za ljude zavise od broja ljudi koji su izloženi zračenju.
Profesionalci koji rade sa rendgenskom opremom. Ova kategorija uključuje radiologe, stomatologe, kao i naučne i tehničke radnike i osoblje koje održava i koristi rendgensku opremu. Poduzimaju se efikasne mjere za smanjenje nivoa radijacije s kojom se moraju nositi.
Pacijenti. Ne postoje strogi kriterijumi, a bezbedan nivo zračenja koji pacijenti dobijaju tokom lečenja određuju lekari koji prisustvuju. Lekarima se savetuje da ne izlažu pacijente rendgenskim zracima bez potrebe. Dodatni oprez treba obratiti pažnju prilikom pregleda trudnica i djece. U tom slučaju se poduzimaju posebne mjere.
Metode kontrole. Ovdje su na umu tri aspekta:
1) dostupnost adekvatne opreme, 2) praćenje usklađenosti sa sigurnosnim propisima, 3) pravilna upotreba opreme. Tokom rendgenskih pregleda, zračenju treba biti izloženo samo željeno područje, bilo za stomatološke preglede ili preglede pluća. Imajte na umu da odmah nakon isključivanja rendgen aparata nestaju i primarno i sekundarno zračenje; Nema ni rezidualnog zračenja, što nije uvijek poznato čak ni onima koji su svojim radom direktno uključeni u njega.
vidi takođe
ATOMSKA STRUKTURA;