Процессы, происходящие при взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электро-нами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hν фотона и энергии ионизации Еи имеют место три главных процесса взаимодействия рентгеновского излучения с веществом: когерентное (классическое) рассеяние, фотоэффект, некогерентное рассеяние (Комптон эффект).Когерентное рассеяние происходит, если энергия падающего рентгеновского фотона hν1 (hc/λ1) меньше, чем энергия ионизации вещества (работы выхода электрона из вещества) hν1< Еи. В этом случае фотон рентгеновского излучения, встретившись с валентным электроном вещества, отдает ему свою энергию и возбуждает его, в результате электрон переходит на более удаленную орбиту, где не может быть дольше чем 10-10 секунд, возвращается в основную орбиту и излучает свою избыточную энергию в виде электромагнитного излучения рентгеновского диапазона. Этот фотон электромагнитного излучения будет иметь энергию hν2 (hc/λ2), равную поглощенной электроном, но может иметь другое направление, поэтому называется рассеянием. А когерентным называется потому, что hν2 = hν1 или hc/λ2 = hc/λ1 и ν2 = ν1 или λ2 = λ1, частота (или длина волны) первичного и вторичного излучении равны. Таким образом при когерентном рассеянии в веществе изменения не происходят, излучение изменяет только направление распространения.Фотоэффект происходит, если энергия падающего рентгеновского фотона hν1 (hc/λ1) больше, чем энергия ионизации вещества (работы выхода электрона из вещества) hν1 ≥ Еи.Фотон рентгеновского излучения взаимодействует с валентным электроном вещества, отдает ему свою энергию. Электрон получив достаточную энергию оставляет вещество, т.е. часть полученной энергии затрачивает на совершение работы выхода из вещества, а оставшаяся часть энергии преобразуется в кинетическую энергию свободного электрона hν1 = Еи+ mυ2/2. Таким образом в результате фотоэффекта вещество превращается в положительный ион, появляется свободный электрон, а фотон исчезает.Некогерентное рассеяние происходит, если hν1 >> Еи. В этом случае часть энергии фотона, сообщенная электрону, идет на совершения работы выхода электроном из вещества Еи, другая часть на кинетическую энергию mυ2/2 свободного электрона, третья часть излучается в виде вторичного излучения hν2, которое рассеивается по всевозможным направлениям.

16. Закон ослабление рентгеновского излучения В результате множества процессов, происходящих при взаимодействия рентгеновского излучения с веществом поток излучения ослабляется. Это ослабление можно описать законом Бугера: Ф = Фое-μd, где Ф - поток излучения, прошедшее через вещество, Фо - поток излучения, падающее на вещество, μ – линейный коэффициент ослабления, d – толщина слоя вещества.

Одним из показателей ослабления рентгеновского излучения с веществом является толщина слоя половинного поглощения, которое можно определить из условия, что прошедший через вещество поток излучения равен половине падающего: Ф = Фо/2. Если подставить сюда математическое выражение закон Бугера получится: Фо/2 =Фое-μd ½ = е-μdln1 – ln2 = -μd1/2 d1/2 = ln2/μ = 0,693/ μ, т.е. толщина слоя половинного поглощения величина обратная линейному коэффициенту ослабления.Поток рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Чем больше атомов в единице длины вещества, соответственно в единице объема, тем сильнее ослабляется поток рентгеновского излучения. Отсюда следует, что линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества ρμ = ρμm, где μm – массовый коэффициент ослабления, который зависит от природы вещества и от длины волны излучения..

17.Методы использования рентгеновских лучей в медицине. Рентгеновские лучи относятся к группе излучений, называемых ионизирующими. Эта их способность положена в основу измерения дозы облучения, получаемой человеком при рентгеновском облучении.Рентгеновские лучи используются в медицине и в терапевтических и диагностических целях.В терапевтических целях рентгеновские лучи применяют главным образом для уничтожения злокачественных образований (рентгенотерапия). В этом случае используют более мягкое рентгеновское излучение, т.е. менее проникающее и более поглощаемое излучение. В диагностических целях рентгеновские лучи применяются для просвечивания внутренних органов. Различают два варианта рентгенодиагностики: рентгеноскопия и рентгенография. В рентгеноскопии изображение рассматривают на рентгенолюминесцирую-щем экране, а в рентгенографии – изображение фиксируют на фотопленке. При рентгеноскопии вызывают свечение лучи, прошедшие через мягкие ткани, т.е. менее поглощенный пучок излучения, а плотные ткани, поглотившие излучение, дают темную тень. При рентгенографии лучи, прошедшие через мягкие ткани, менее поглощаются и, вызывая фотохимические реакции на пленке, дают более темное изображение, чем лучи, прошедшие через плотные ткани, они дают светлые изображения, так как интенсивность прошедших лучей настолько мала, что они не вызывают фотохимических реакции на пленке.

18. Радиоактивное излучение. Структура ядра. Радиус ядра. Ядро атомов состоит из элементарных частиц - протонов и нейтронов, называемых нуклонами. В свободном состоянии протоны и нейтроны - самостоятельные частицы, но в ядре они могут взаимно превращаться и тогда рассматриваются как различные состояния одной и той же частицы. Число Z протонов в ядре равно атомному номеру элемента. Массовое число А – это целое число, ближайшее к атомной массе элемента (изотопа), выраженной в а.е.м..Число N нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и атомным номером элемента (изотопа): N = A–Z. Радиус ядра определяется по приближенной формуле: R=1.5 -13, т.е. имеет порядок 10-13см (в 105 раз меньше порядка радиуса атома). Ядерные силы. Свойства ядерных сил. Модели ядерных сил.Нуклоны в ядре связаны особыми силами взаимного притяжения – ядерными силами.Природа ядерных сил недостаточно еще изучена, однако основные его свойства установлены достоверно. Ядерные силы – короткодействующиеЯдерные силы –сильнодействующиеЯдерные силы действуют между нуклонами независимо от их электрического заряда, как между двумя нейтронами, так и между нейтроном и протоном или двумя протонами.Ядерные силы имеют свойства насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом окружающих его нуклонов, поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы не возрастают, как это имеет место для сил электростатического отталкивания между протонами. По мере увеличения общего числа нуклонов в ядре, причем со значительным избытком нейтронов по отношению к протонам (N / Z> 1.6), устойчивость ядра ослабляется, вследствие чего у элементов последнего ряда происходит самопроизвольный распад, называемый радиоактивность.

19. Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения. Радиоактивность – свойство ядер определенных элементов самопроизвольно (т.е. без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого излучения, называемого радиоактивным излучением. Само явление называется радиоактивным распадом. Радиоактивный распад сопровождается небольшим выделением теплоты. Радиоактивные явления, происходящие у встречающихся в природе изотопов, называют естественной радиоактивностью, а происходящие в искусственно созданных изотопах – искусственной радиоактивностью. Под общим названием радиоактивного излучения объединяются три вида излучений, различные по природе, но имеющие некоторые общие свойства. Альфа – излучение – это поток - частиц с высокой кинетической энергией, которое представляют ядра гелия. Альфа – частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и обозначается. Бета-излучение - это поток -частиц с высокой кинетической энергией, которые представляют или электроны (у большинства радиоактивных элементов), или позитроны (у некоторых искусственно полученных изотопов) Бета – частица обозначается - или e (электрон) и или e (позитрон). Гамма – излучение имеет электромагнитную природу и представляет поток фотонов с высокой энергией порядка от 1 до 2-3 МэВ и соответственно малой длиной волны (0,1 нм и меньше).Характеристиками радиоактивного излучения являются масса и заряд частиц, скорость их при выбрасывании из ядра и соответствующая ей кинетическая энергия, а также распределение частиц по энергиям, называемое спектром радиоактивного излучения. В одном акте распада из ядер данного вещества выбрасываются частицы только одного вида: альфа- или бета-. Соответственно различают три основных вида распада радиоактивных ядер: - распад, - электронный и - позитронный. Любой из этих распадов может сопровождаться излучением - фотонов.

Для ядер тяжелых элементов характерен - распад, при этом уменьшается общее число нуклонов в ядре, и оно становится более устойчивым. Альфа – распад описывается уравнением: В связи с выбрасыванием - частиц заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшается на две единицы, а массовое число – на четыре единицы. При определенных условиях некоторые из образовавшихся таким образом - частиц могут преодолеть действие ядерных сил и оторваться от ядра. Этот процесс имеет квантовомеханическую природу и называется тоннельным эффектом. β- распад. Формула β-распада. Бета – распад происходит у ядер, неустойчивость которых связана с неблагоприятным соотношением числа нейтронов и протонов. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный - распад, при котором один из нейтронов, превращается в протон, при этом в ядре рождается электрон: Он выбрасывается, и в ядре остается более устойчивый комплекс нуклонов. Электронный распад - распад описывается уравнением: При этом заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличиваются на единицу, а массовое число его остается без изменений.Электронный - распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов, например, распад изотопа калия с превращением его в кальций: При позитронном - распаде один из протонов превращается в нейтрон, и в ядре рождается позитрон: Он выбрасывается, а в ядре остается более устойчивый комплекс нуклонов.