Рентгеновские лучи

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ Рентгеновские лучи С точки зрения физики рентгеновским называется электромагнитное излучение с длинами волн от 0,001 до 50 нанометров (10-9m). Рентгеновские лучи по своей природе - близкие родственники солнечного ультрафиолета. Если солнечные лучи расположить по «росту», то самыми длинными, а точнее длинноволновыми, окажутся радиоволны. Далее следует инфракрасный свет. Мы его не видим, в отличие от некоторых животных, но можем

ощущать его как тепло. Далее по степени снижения «роста» следуют известные нам еще по детской считалочке красный-оранжевый-желтый-зеленый-голубой -синий-фиолетовый. Следом идет ультрафиолет, который специалисты делят на A B- и C-ультрафиолет. Самый длинноволновой из них (ультрафиолет A) получил «прописку» в соляриях, где с успехом используется человеком для получения искусственного

загара. Следом за ультрафиолетовым спектром электромагнитных излучений как раз и расположены рентгеновское и гамма-излучения. Они – близкие родственники с точки зрения физики и имеют достаточно широкую область перекрытия с одинаковыми длинами волн, но у них разные «родители». Гамма-излучение имеет внутриядерное происхождение, т.е. образуется при ядерных превращениях, например, при распаде радиоактивного элемента. Рентгеновские же лучи не образуются непосредственно в результате

ядерных превращений. Они могут быть получены двумя способами: при переходах электрона с высших (уделенных, с избытком энергии) слоев на внутренние, когда высвобождается энергия; а также при торможении заряженных частиц в веществе. Если оно получено первым способом, то такое излучение называется характеристическим. В медицинской практике такое рентгеновское излучение не используется, а потому мы от его подробного описания воздержимся. Тормозное рентгеновское излучение и получить проще, и опыта работы с ним в медицине

больше. Заряженные частицы, испытывающие торможение, испускают электромагнитное излучение. Но нужно не любое, а рентгеновское. Чем больше ускорение частицы (резче торможение), тем меньше длина волны на выходе. Т.е. чем большее торможение испытывают частицы, тем большим будет количество образующегося рентгеновского излучения и тем меньше будет длина его волны. На практике рентгеновское излучение получают при торможении ускоренных электронов в твердом веществе.

При этом есть возможность управлять источником излучения. При отключении этого источника рентгеновские лучи исчезают, а значит, полностью снимается опасность радиационного облучения. Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка. Она представляет собой электровакуумный прибор, имеющий два электрода: отрицательно заряженный катод и положительный анод. Из сильно разогретого катода происходит испарение электронов, а затем они

ускоряются в электрическом поле между катодом и анодом. В результате они сталкиваются с твердым веществом анода и при торможении испускают электромагнитное излучение. Примерно так же устроен кинескоп любого классического телевизора. Поэтому и рекомендуют сидеть от него подальше. Но в случае с телевизором основная часть энергии электрона тратиться на свечение экрана, а слабое мягкое рентгеновское излучение является побочным продуктом его

работы. При определенных характеристиках электрического поля и качестве вещества анода это излучение будет жестким рентгеновским, т.е. именно таким, какое требуется в рентгенкабинете. Следует обязательно отметить одну особенность. Рентгеновское излучение из рентгеновской трубки неоднородно. В нем выделяют мягкое и жесткое рентгеновское излучение. Мягкое рентгеновское излучение в рентгенкабинете – «незваный гость», поэтому от него всячески избавляются

специальными фильтрами. Дело в том, что оно почти полностью поглощается нашим телом, а значит от него двойной вред: во-первых, до пленки эти лучи не дойдут и не нарисуют необходимую нам картинку; во-вторых, они еще сформируют лишнюю дозовую нагрузку на организм человека. Как же происходит процесс фокусировки лучей на пленку или экран? Звучит странно, но «никак»! В отличие от видимого света рентгеновские лучи крайне трудно фокусировать.

Поэтому практическая медицина основана на получении теневого изображения просвечиваемого объекта на плоском чувствительном экране. А значит необходимо, чтобы проекция теней от органов передавалась пропорционально и без искажений. Это просто, если объект облучается пучком параллельных лучей. На практике же размер источника больше напоминает точечный, т.к. он меньше объекта исследования. Поэтому для уменьшения искажений источник располагают подальше от человека и экрана.

И на расстоянии 2 метра искажения уже совсем не видны. При распространении лучей от точечного источника (рентгеновской трубки) они могут поглощаться и рассеиваться. В воздухе путь лучей до поглощения составляет сотни метров. В плотном веществе происходит быстрое ослабление потока рентгеновских лучей. Биологические ткани человека неоднородны, а поглощение, точнее, ослабление лучей зависит, прежде всего,

от плотности ткани, из которой состоит орган. Например, слой водяного пара ослабляет поток рентгеновских фотонов гораздо меньше, чем слой воды такой же толщины. Это происходит из-за того, что на единицу пути в жидкости приходится больше атомов, чем в газе. Ослабление потока рентгеновских лучей зависит так же от химического состава вещества, т.к. элементы с большими атомными номерами ослабляют излучение сильнее, чем элементы, относящиеся к началу таблицы

Менделеева. В костной ткани, к тому же более плотной, содержатся вещества с большими атомными номерами, чем в мягких тканях, поэтому она значительно сильнее поглощает излучение. Различное поглощение фотонов разными тканями человеческого организма создает возможность получения контрастного изображения при фотографировании или при получении телевизионного изображения в рентгеновских лучах. Если тело человека поместить между рентгеновской трубкой и приемником излучения (пленкой, флуоресцирующий

экраном и т.д.) – то участки большего поглощения (костная и другая более плотная ткань) дадут на приемнике тень, которая будет выглядеть контрастно на фоне засвеченных сильнее участков с меньшим поглощением. Человек в лучах рентгеновского излучения становится полупрозрачным и мы можем заметить какие органы и ткани выглядят не так, как обычно. Поэтому только рентгенологи с полной ответственностью могут сказать: «я Вас насквозь вижу». В рентгенодиагностике и дефектоскопии для регистрации рентгеновских лучей иногда

применяют электрофотографию (электрорентгенографию). Рентгеновский структурный анализ позволяет установить пространственное расположение атомов в кристаллической решётке минералов и соединений, в неорганических и органических молекулах. На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного грунта,

может быть установлен кристаллический состав этого вещества, т. е. выполнен фазовый анализ (метод Дебая - Шеррера). Многочисленными применениями рентгеновских лучей для изучения свойств твердых тел занимается рентгенография металлов (иногда и неметаллов). Рентгеновская микроскопия позволяет, например, получить изображение клетки, микроорганизма, увидеть их внутреннее строение. Рентгеновская спектроскопия по рентгеновским спектрам изучает распределение

плотности электронных состояний по энергиям в различных веществах, исследует природу химической связи, находит эффективный заряд ионов в твёрдых телах и молекулах. Рентгеновский спектральный анализ по положению и интенсивности линий характеристического спектра позволяет установить качественный и количественный состав вещества и служит для экспрессного неразрушающего контроля состава материалов на металлургических и цементных заводах, обогатительных фабриках.

При автоматизации этих предприятий применяются в качестве датчиков состава вещества рентгеновские спектрометры и квантометры. Рентгеновские лучи, приходящие из космоса, несут информацию о химическом составе космических тел и о физических процессах, происходящих в космосе. Исследованием космических Р. л. занимается рентгеновская астрономия. Мощные рентгеновские лучи используют в радиационной химии для стимулирования некоторых реакций, полимеризации

материалов, крекинга органических веществ. Р. л. применяют также для обнаружения старинной живописи, скрытой под слоем поздней росписи, в пищевой промышленности для выявления инородных предметов, случайно попавших в пищевые продукты, в криминалистике, археологии и др. Итак, наиболее широкое применение рентгеновские лучи нашли в медицине для рентгенодиагностики и рентгенотерапии. Важное значение для многих отраслей техники имеет рентгеновская дефектоскопия, например для обнаружения

внутренних пороков отливок (раковин, включений шлака), трещин в рельсах, дефектов сварных швов. Биография Х-rays Историю рентгенодиагностики невозможно отделить от имени Вильгельма Конрада Рентгена - известного немецкого физика. Именно он в конце 1895 года сообщил миру о новых лучах, известных сегодня как рентгеновские лучи. Не вдаваясь в подробности его биографии, всё же необходимо отметить, что именно он является первым

лауреатом Нобелевской премии по физике, врученной ему в 1901 году за открытие икс-лучей. Справедливости ради следует отметить, что не он первым узнал о существовании этих лучей и не он первым их использовал на практике для получения изображения. Первые снимки в катодных лучах (а это и есть лучи, названные впоследствии рентгеновскими) были сделаны в г.Баку еще в 1884 году. Как и в случае с Америго

Виспучи, который не знал, что уже открыл Америку, рентгеновские лучи долгое время и многие учёные «держали в руках», не объявляя на весь мир об открытии. Заслуга Рентгена перед историей заключается не только в открытии неизвестного излучения, но и в открытии методов рентгенодиагностики: "Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки". Это было первое рентгеноскопическое исследование человеческого

тела, проведенное и описанное первооткрывателем икс-лучей. В 1896 году в России проведено рентгенологическое исследование скелета. С этого момента идёт бурное развитие рентгенодиагностики. Еще до вручения Рентгену нобелевской премии в России появляются сообщения о рентгенодиагностике и даже о создании прибора стереоскопического изучения рентгенограмм.

Перспективность использования икс-лучей в медицине была столь очевидна, что сразу же начали появляться фирмы, производящие промышленным путем рентгенодиагностическое оборудование. В начале становления рентгенодиагностики в Европе и в России отдавали предпочтение берлинским аппаратам. Они были несовершенными во всех отношениях, но позволяли делать вполне сносные рентгенограммы.

Еще более интересным является тот факт, что на заре становления рентгенодиагностики предпочтение отдавалось рентгеноскопии, т.е. просмотру изображения на экране с дальнейшей зарисовкой, если это требовалось, полученного изображения буквально от руки. Это отчасти объяснялось преимущественным использованием лучей рентгена в хирургии, где они часто использовались непосредственно перед операцией, относительно большой стоимостью фотографии, отсутствием необходимости хранения результатов исследования.

Дальнейшее развитие радиологии привело не только к совершенствованию техники, но и к бурному развитию различных направлений в рентгенологии, а также методик исследования различных органов и систем. Стали зарождаться отрасли диагностики практически для каждого раздела медицины: рентгеноостеология, рентгенокардио- и ангиология, рентгенопульмонология, рентгеногастроэнтерология, рентгеногепатология, нейрорентгенология, рентгеноурология и рентгенонефрология и др.

Интересным является тот факт, что их зарождение происходило в первые 10-20 лет со дня открытия рентгеновских лучей в различных странах мира, а развитие, естественно, продолжается и сегодня. В классической рентгеновской технике история развивалась в основном в направлении улучшения качества трубок, а также фотопленок, которые не могли существенно менять параметры своей чувствительности и области применения. Это стало тормозить и появление новых видов рентгенодиагностики.

Но последние 20 лет принесли неожиданные изменения. Можно утверждать, что в истории рентгенологии не было периодов, сравнимых с переживаемыми теперь. Когда казалось, что диагностические возможности этого метода исчерпаны, на авансцену вышли новые технологии. Невозможно было предвидеть поразительную быстроту вхождения научно-технического прогресса в классическую рентгенодиагностику, но именно новые цифровые технологии позволили в десятки раз снизить дозу облучения

и во столько же раз повысить информативность изображения, улучшить его качество, расширить область применения и снизить стоимость процедуры. Наступил период рентгенологии XXI века. Биография первооткрывателя Х-rays Вильгельм Конрад Рентген родился 17 марта 1845 г. в пограничной с Голландией области Германии, в городке Ленепе. Его отец был состоятельным торговцем.

Он владел фабрикой по производству сукна и надеялся, что его процветающее дело со временем перейдет к сыну. За безобидную проделку юный Рентген был исключен из школы и вынужден был поехать в Цюрих, в высшую техническую школу, где аттестат не был обязательным и для не имеющих его был предусмотрен экзамен, на котором тридцать лет спустя провалился Эйнштейн, оказавшийся там по той же причине. Особый интерес

Конрад Рентген проявил к математике и физике. Работая ассистентом на кафедре физики в Цюрихе, Гисене и Страсбурге, исследовал упругие свойства кристаллов, вязкость и диэлектрическую проницаемость некоторых жидкостей, измерял магнитное поле движущихся зарядов. Его научные интересы простирались в области электромагнетизма, физики кристаллов, оптики, молекулярной физики. Рентген открыл в 1885 магнитное поле диэлектрика, движущегося в электрическом поле (так называемый

"рентгенов ток"). Его опыт наглядно показал, что магнитное поле создается подвижными зарядами, и имел огромное значение для создания X. Исследуя электромагнитные явления в кристаллах, он открыл взаимосвязь электрических и оптических явлений в кристаллах. Но самым известным открытием Рентгена стали лучи, названные его именем. Еще Фарадей серьезно занимался этими явлениями, описал разнообразные формы разряда, открыл темное пространство

в светящемся столбе разреженного газа. Гольдштейн (1850—1931), изучая свойства лучей, назвал их катодными лучами (1876 г.). Через три года Вильям Крукс (1832—1919) доказал материальную природу катодных лучей и назвал их "лучистой материей" — веществом, находящимся в особом четвертом состоянии. Отклонение катодного пучка магнитным полем в трубке Крукса стало классической школьной демонстрацией. Ученик

Герца Ф. Ленард, экспериментируя с катодными лучами, в 1893 г. показал, что они проходят через окошечко, закрытое алюминиевой фольгой, и вызывают свечение в пространстве за окошечком. Вот с такими трубками Крукса, Ленарда и других и экспериментировал Вюрцбургский профессор Вильгельм Конрад Рентген в конце 1895 г. Эти приборы имелись в то время в лаборатории любого института.

Фотоматериалы, лежавшие рядом с трубкой Гитторфа, упакованные в светонепроницаемую бумагу оказались непонятным образом засвеченными после проявления. Обычный человек выбросил бы их и забыл, но гениальный ученый начал планомерные эксперименты, чтобы обнаружить причину непонятного явления. Он узнал, что от вакуумных трубок действительно исходят невидимые лучи. Лучи пробили черную упаковку и заставили светиться флуоресцирующие вещества.

Ни один физик этого не видел ранее и не сообщал об этом. Надо заметить, что Рентген был ученым-одиночкой. Он работал совершенно один, часто по вечерам. Поэтому нет очевидцев его открытия. Более того, он достаточно долго скрывал это от всех, даже от жены, которая обычно была посвящена в его опыты. Он помещал между трубкой и ширмой различные предметы, которые были под рукой: книгу, лист алюминиевой фольги, ящичек с разновесами и с удивлением отмечал, что все

они по-разному пронизываются неизвестными лучами. И, наконец, он получил изображение своей руки. Это было первое рентгенологическое исследование человеческого тела. Семь недель практически в одиночестве ученый исследовал открытые им лучи. Даже еду он просил приносить в лабораторию, там же велел поставить себе кровать. И вот 28 декабря 1895 года исследователь выступил с первым сообщением о своем открытии перед

Вюрцбургским физико-медицинским обществом. В своей работе Рентген рассказал о том, как можно получить новые лучи при помощи трубки Гитторфа или другого подобного же прибора, а также характеризовал проницаемость тех предметов, которые он использовал. Так как физика газового разряда тогда была еще не разработана и природа новых лучей по-прежнему оставалась загадочной, он назвал их «Х-лучами».

Под влиянием господствующего учения об эфире Рентген склонялся к признанию того, что здесь речь идет о продольных волнах в эфире: в отличие от световых и электрических волн, которые считались поперечными волнами. Как заметил его ученик Иоффе, это была, по-видимому, единственная ошибка, которую когда-либо допустил Рентген. Природа открытых Рентгеном лучей была объяснена еще при его жизни. Они оказались электромагнитными колебаниями, как и видимый свет, но с частотой колебаний во много тысяч

раз большей и с меньшей длиной волны. Они образуются путем преобразования энергии при столкновении катодных лучей со стенкой трубки, причем безразлично, состоит ли она из стекла или металла, и распространяются во все стороны со скоростью света. Очень скоро открытые рентгеном лучи стали применяться в разных областях и, прежде всего, в медицине. Уже в 1896 году доцент Берлинского университета физик Вили Вин использовал их для целей диагностики переломов в

Берлинском военном госпитале. Несмотря на инженерное образование Рентген не участвовал в использовании открытых им лучей на практике и не получал за это деньги. Он также отказался запатентовать свое открытие, так как считал, что оно должно принадлежать всем. Через четыре года после своего открытия ученый был приглашен в Мюнхенский университет - крупнейший университет страны, где и оставался до конца жизни, отклоняя многочисленные

лестные предложения и предпочитая заниматься чистой наукой. В 1901 году первым из ученых мира Вильгельм Конрад Рентген получил Нобелевскую премию по физике. Денежная сумма, связанная с премией, была передана Рентгеном по завещанию университету, в стенах которого было сделано его открытие. Проценты должны были служить прогрессу научного исследования.

Из-за инфляции в 1923 году вклад обесценился. В 1920 году он опубликовал свою последнюю работу – обширную рукопись по физике кристаллов, которая обобщала исследования, начатые им совместно с Иоффе. За свою жизнь ученый опубликовал не очень много трудов. Семь больших публикаций и 60 научных статей. Но каждое слово в них было обосновано, каждый аргумент математически и экспериментально доказан. Десятого февраля 1923 года

Рентген, обессиленный истощением, умер от рака. Его прах был погребен в Гисене. Вальтер Фридрих так нарисовал портрет своего учителя: «Тот, кому было позволено вступить с Рентгеном в личные отношения, испытывал чувство, говорящее ему, что перед ним действительно великий человек. Сама его внешность была чрезвычайно импонирующей. При необычно высоком росте у него была в высшей степени изящная голова ученого и серьезный, почти строгий

взгляд. Очень редко и лишь на короткие мгновения на его губах появлялась легкая улыбка. Этот человек был так же велик внутренне, как и внешне. Честность и благородная скромность были самыми примечательными чертами его характера. Строгое выражение его лица скрывало жизнь чувств, которую он при своей замкнутости приоткрывал, безусловно, только истинным друзьям и самым близким людям».