Lektsii_po_fiziki

высокой кинетической энергией, α − частицами, γ −излучением)

свнутренней оболочки атома будет выбит один из электронов, то

сболее высоких уровней атома на место выбитого перейдет другой электрон. При этом будет испускаться фотон с энергией

hν = E2 − E1	и частотой	ν =	E2 − E1	,	лежащей в диапазоне рентге-
			h

новского излучения.

Электрон может быть выбит с любого уровня. Следовательно, свободное место может образоваться на любом внутреннем уровне.

На этот уровень могут переходить электроны также с любого уровня, образуя серии переходов. Например, К- серия образуется при переходе электронов на уровень К с более высоких уровней, L - серия - на уровень L и т.д.

Характеристическое излучение имеет линейчатый спектр на фоне сплошного. Для разных атомов эти спектрв однотипны, т.к. внутренние оболочки атомов одинаковы и отличаются

лишь энергией.

Частота линий спектра характери- сти-ческого излучения определяется законом Мозли

ν = K (Z −1),

где К - постоянная для данной линии, Z - зарядовое число атома химического элемента, с которым сталкиваются электроны. Из закона Мозли следует, что при увеличении Z линия сдвигается в

сторону более коротких длин волн (λ =νс ).

2.Тормозное излучение возникает при резком торможении электронов электрическим полем атомов вещества, через которое они пролетают.

191

Движущиеся электроны можно рассматривать как электрический ток. Этот ток образует вокруг себя магнитное поле. Электрическое поле, создаваемое электронами атома вещества, тормозит движущиеся к атому электроныю Это замедление движения можно

рассматривать как переменный электрический ток. Магнитное поле, образующееся вокруг такого тока, является переменным. Согласно теории Максвелла вокруг переменного магнитного поля возникает вихревое электрическое поле, которое, в свою

очередь, возбуждает в смежных			точках
пространства		переменное маг-	нитное
поле и т.д. Образуется электро-			магнитная
волна,	т.е.	излучается фотон,	рентге-
новского диапазона. Частота это-			го	фотона
зависит от начальной кинетиче-			ской энер-
гии летящих электронов и от ин-			тенсивно-
сти торможения. Т.к. эти условия			для	летя-
щих электронов различны, то из-			лучаются
фотоны	разных длин волн, и		спектр тормозного излучения

сплошной. Коротковолновое излучение, λ - коротковолновая

0

граница, круто уменьшается и называется жестким излучением. Длинноволновое рентгеновское излучение плавно уменьшается с увеличением длины волны и называется мягким излучением. λm - длина волны, приходящаяся на максимум излучения.

192

1÷ 3%

(УЭ)

Рентгеновская трубка

Рентгеновская трубка является устройством для возбуждения рентгеновского излучения.

Рентгеновская трубка представляет собой вакуумный баллон с несколькими элек- тро-дами, соединенными с источ-ником высокого напряжения.

Катод К представляет собой раскаленную нить и играет роль источника электронов, которые вылетают из него в результате термоэлектронной эмиссии. Управляющий электрод фокусирует пучок электронов , направляя его на анод А. Именно на аноде возникает рентгеновское излучение. Анод изготавливается из хорошо теплопроводящих металлов. Поверхность анода покрывается тугоплавкими тяжелыми металлами(W , Pt и др.). Поверхность анода скошена под углом для того, чтобы направлять рентгеновское излучение в нужном направлении. Для того, чтобы возникло рентгеновское излучение, электроны должны обладать высокой кинетической энергией. Поэтому для ускорения электронов применяется высокое напряжение, создаваемое между анодом и катодом. Только кинетической энергии электронов переходит в энергию излучения, так что почти вся энергия электронов расходуется на выделение тепла. Поэтому анод сильно нагревается, и поэтому в рентгеновской трубке создается охлаждение водой или маслом. Кроме того, анод вращается, чтобы электроны не выжигали какую-либо одну точку на поверхности анода.

При напряжениях U ≤30 кВ в основном излучается тормозное излучение. При U ≈35 ÷50 кВ излучается характеристическое излучение.

Когда вся энергия электрона расходуется на создание одного фотона, то длина волны этого фотона будет равна λ0 . При этом энергия фотона равна

ε = hν0 = hc . λ0

Кинетическая энергия электрона равна работе элек- три-ческого поля, созданного между катодом и анодом

193

meυ2 = eU , 2

где me , e, υ − масса, заряд и скорость электрона, соответственно, U − напряжение между анодом и катодом.

Следовательно,

eU = hc .

λ0

откуда

λ0 = eUhc .

Зависимость энергии рентгеновского излучения от рабочих параметров рентгеновской трубки.

Экспериментально, показано, что средняя энергия рентгеновского излучения, переносимого без потерь через единицу площади, т.е. поток энергии Φ, зависит от рабочих параметров рентгеновской трубки.

1) От ускоряющего напряжения, т.е. от энергии электронов. Величина потока прямо пропорциональна квадрату ускоряющего напряжения Φ U 2 . Кроме того, при увели-

чении 0 и	m сдвигаются в сторону
λ	λ

коротких волн, т.е. рентгеновское излучение становится более жестким

2) От силы тока, т.е. от числа электронов, испускаемых ка-

тодом.

Чем больше сила тока в цепи, тем больше нагревается катод, тем больше электронов вылетает с него, тем чаще происходят столкновения электронов с анодом. Следовательно, при увеличении силы тока в цепи наблюдается прямо пропорциональная зависимость потока излучения от силы тока: Φ I .

194

Сдвига спектра не наблюдается, т.е. λ и λm при изменении силы

0

тока не изменяются.

3) От природы, т.е. от порядкового номера вещества поверхности анода. Количество электронов в разных атомах различно, следовательно, различным по напряженности будет и электрическое поле этих атомов, значит, и скорость торможения будет различной.

С учетом влияния всех рассмотренных параметров поток рентгеновского излучения, получаемого в рентгеновской трубке, определяется по формуле

Φ = kZIU 2.

Действие рентгеновского излучения на вещество

При попадании на тело рентгеновское излучение незначительно отражается, но большая часть его проходит вглубь. Часть прошедшего излучения поглощается и рассеивается в веществе, часть проходит сквозь тело. Поглощение и рассеяние рентгеновского излучения происходит из-за того, что оно взаимодействует с атомами и молекулами вещества и передает им свою энергию. При этом возможны следующие первичные процессы.

1) Когерентное рассеяние. Пусть на тело падает фотон рентгеновского излучения энергией ε = hν ,

а работа выхода электрона атомов этого тела есть А. Пусть hν < A. Тогда при столкновении этого фотона с электроном атома, прочно связанного с ядром, фотон изменит траекторию своего движения, но энергию при этом практически не изменит (hν = const, λ = const). Это явление называется когерентным рассеянием. Биологи-

ческого действия на ткани организма когерентное рассеяние практически не оказывает.

2) Фотоэффект. Если hν ³ A, т.е. если энергия фотона достаточна для отрыва электрона, то фотон отдает ему всю энергию, прекращая своё существование. В результате электрон вылетает из атома, атом ионизируется (фотоионизация).

195

Вылетевший электрон называется электроном отдачи. Это явление называется фотоэффектом и описывается уравнением Эйнштейна

hν = m2υ2 + A

Т.о. при фотоэффекте происходит ионизация атомов вещества, поглотившего рентгеновского излучения.

4) Некогерентное рассеяние (эффект Комптона).

Это явление наблюдается, если на атом падает фотон, энергия которого значительно больше энергии ионизации (работы выхода) (hν >> A) . Фотон может столкнуться с электроном атома, находящемся на внешнем уровне, где элек-

трон менее связан с ядром, чем на внутренних уровнях. При этом электрон (электрон отдачи) отрывается от атома, а фотон, энергия которого уменьшится, изменяет свое направление. Энергия фотона может оказаться такой большой, что фотон выбьет электрон с внутреннего уровня.

Мы рассмотрели первичные процессы, но все эти три процесса могут вызывать вторичные, третичные и т.д. процессы. Например, пусть произошел не внешний, а внутренний фотоэффект, т.е.фотон рентгеновского излучения выбил электрон из внутренней оболочки. На этой оболочке образуется вакансия, на кото-

рую перейдет электрон с внешней оболочки. При таком переходе излучается фотон рентгеновского диапазона! Электроны отдачи обладают высокой кинетической энергией и могут взаимодействовать с соседними атомами, вызывая какие-либо другие явления, рассмотренные нами. И, прежде чем энергия фотона перейдет в энергии. Теплового движения атома, т.е. прежде чем фотон полностью отдаст свою энергию, может произойти несколько десятков процессов.

При прохождении рентгеновского излучения через вещество оно ослабляется в соответствии с законом Бугера

Φ = Φ0e−μd ,

196

k −ко-

где d - глубина проникновения в вещество; μ− Коэффициент ослабления. В общем случае коэффициент ослабления учитывает все три рассмотренных процесса

μ = μк. р. + μф + μн. р. .

Применение рентгеновского излучения в медицине

В лечебных целях рентгеновское излучение применяется в онкологии, т.к. наиболее чувствительны к рентгеновскому излучению быстроразмножающиеся клетки, т.е. злокачественные опухоли.

Наиболее распространенным применением рентгеновского излучения является применение для диагностических целей – просвечивание рентгеновскими лучами с диагностической целью.

Для рентгенодиагностики используют фотоны с энергией hν = 60 -120 эВ (1эВ =1,6 ×10−19 Дж), т.е. очень узкий диапазон длин волн λ =10,3 ÷21 нм . Поглощение рентгеновского излучения в этой области описывается как

Φ = Φ0e−μфd ,

где μф = kλ3Z 3 связан в основном с фотоэффектом. эффи-циент пропорциональности.

Мягкие ткани организма состоят из достаточно легких атомов (H ,C, N,O). А минеральное вещество костей содержит элементы со значительными порядковыми номерами (Са, Р) , поглощающая способность которых значительна. Поэтому относительно мягкое излучение кость поглощает примерно в 10 раз сильнее, чем мягкие ткани, а жесткое излучение кость поглощает только в 2÷3 раза сильнее.

Если на пути рентгеновского излучения поместить ка- кое-либо тело, а за ним экран, то тело, поглощая излучение, образует на экране тень. Наблюдая образующееся теневое изображение тела, можно судить о форме органа. А по контрастности тени и об относительной плотности тела. Т.к. разные органы и ткани поглощают рентгеновское излучение по-разному, то и картину на экране мы будем иметь для каждого органа своеобразную и по ней судить о нормальности и патологическом состоянии органа.

197

В рентгенодиагностике используют три метода: рент- гено-скопию (просвечивание), рентгенография (фотографирование) и рентгеновскую томографию.

При рентгеноскопии теневое изображение получается на экране: наиболее плотные, сильно поглощающие органы (сердце, наполненные кровью сосуды, кости) видны темными, а мало поглощающие органы – светлыми.

При рентгенографии теневое изображение получается на снимке, на котором мало поглощающие органы получаются темными, а сильно поглощающие – светлыми. Иэображение получается четким. Можно сделать рентгенодиагностические исследования органов, которые не даюттеневого изображения.Для этого их наполняют контрастной массой ( ВaCl2 ) , хорошо поглощающей рентгеновское излучение.

Рентгеновская томография является достаточно новым методом и позволяет послойно исследовать орган. Она заключается в том, что рентгеновская трубка и фотопленка перемещаются в противофазах. При исследовании какого-либо органа в нем выбирается одна какая-то точка (точка качания) Эту точку фотографируют с разных позиций. И тогда те органы, которые затемняли изучаемую точку при рентгенографии, становятся об-

щим фоном, на котором выделяется исследуемая точка. При исследовании какого-либо органа, изменяя положение точки качания, т.е. последовательно исследуя одну точку органа за другой, послойно, можно получить послойное изображение исследуемого органа. Такая последовательная запись органа называется томографией.

Можно вместо фотопленки использовать экран из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения. Детекторы преобразуют рентгеновское излучение в электрический сигнал, который можно подать на компьютер или записать на бумаге самописца. За эту разработку авторы Хаунсфилд и Мак-Корман получили Нобелевскую премию.

198

Лекция 16

Ионизирующее излучение

Ионизирующим излучением называются потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой вызывает ионизацию её атомов и молекул.

К ионизирующему излучению относятся жесткое рентгеновское излучение, γ −излечение, потоки α − частиц, электронов, протонов, позитронов, нейтронов.

Человечество достигло высокого уровня цивилизации, в результате чего оно задействовало в круг своей хозяйственной деятельности ядерную энергию в промышленности, на атомных станциях (ядерные реакторы), осуществляет полеты человека в космос, где радиационное излучение значительно выше фонового на Земле, создало ядерное оружие. Именно эта деятельность человека привела к возникновению опасности для организмов, связанную с поражающим действием ионизирующего излучения. В связи с этим возникла необходимость в разработке методов защиты от поражающего действия радиоактивных излучений, что, в свою очередь, требует от биологов и врачей понимания некоторых вопросов ядерной физики и механизма действия излучений на организмы.

Кроме того, ионизирующее излучение применяется в терапии, т.к. имеет высокое действие на быстроразмножающиеся клетки, а также в диагностике – метод меченых атомов.

Строение атомного ядра

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которым дано общее название – нуклоны.

Заряды нуклонов: Заряд протона положительный, равный по величине заряду электрона qp = e =1,66 ×10−19 Кл . Нейтрон электрически нейтрален, его заряд qn = 0.

Массы нуклонов равны mp = mn ≈1 а.е.м.

Число протонов Z в ядре равно числу электронов в данном атоме, т.е. число протонов равно порядковому номеру элемента периодической таблицы Менделеева.

Общее число нуклонов, т.е. общее число протонов и нейтронов, определяется массовым числом А. Массовое число А равно атомному весу элемента, округленному до целого числа.

Очевидно, число нейтронов в ядре определяется как

199

N = A − Z .

Например, в ядре урана с массовым числом А = 238 и порядковым номером Z = 92 число нейтронов N = 238 − 92 = 146.

Ядро любого элемента обозначается химическим символом с указанием массового числа и числа протонов ZA X . Например,

11 H , 42 He, 37 Li, 92238U.

Ядерные частицы обозначаются как 11 p, 10n.

Ядра, имеющие одинаковые зарядовые числа Z , но разные атомные массы называются изотопами. Например, 11 Н , 12 Н , 13Н ;

92239U , 92238U , 92235U.

Размер ядра: диаметр d ≈10−13 cм, т.е. в 10 000 раз меньше диаметра атома d ≈10−13 см.

Частицы, составляющие ядро, связаны между собой значительными силами взаимного притяжения, называемые ядерными силами. Основные свойства ядерных сил:

1.ядерные силы - короткодействующие силы, прояв-ляю- щиеся только на расстояниях порядка размеров самого ядра r ≤10−13 см;

2.ядерные силы относятся к сильным взаимодействиям:

Fядер. > Fэлектр. > Fграв. ;

3.ядерные силы действуют между нуклонами независимо от их зарядов, т.е. как между двумя нейтронами, двумя протонами, так и между нейтронами и протонами;

4.ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. частицы ядра взаимодействуют только с определенным числом нуклонов.

Имеются разные модели строения ядра. Мы рассмотрим только наиболее распространённые.

Капельная модель – в этой модели ядро рассматривают как каплю жидкости, т.к. и в ядре и а капле жидкости частицы взаимодействуют между собой на малых расстояниях; и в ядре и в капле жидкости поверхностные частицы испытывают одностороннее притяжение со стороны внутренних, глубинных, частиц; и в ядре и в капле жидкости плотность вещества одинакова.

Оболочечная модель. Согласно этой модели протоны и нейтроны ядра, также как и электроны атома, располагаются на определённых энергетических уровнях. Наиболее устойчиво то ядро, энергетические уровни которого полностью заполнены. Т.о.

200