RÖNTGENSTRAHLUNG
unsichtbare Strahlung, die alle Stoffe, wenn auch in unterschiedlichem Maße, durchdringen kann. Dabei handelt es sich um elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 10-8 cm, Röntgenstrahlen verursachen wie sichtbares Licht eine Schwärzung von fotografischen Filmen. Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung für Medizin, Industrie und wissenschaftliche Forschung. Durch das Untersuchungsobjekt hindurch und dann auf den Film fallend, bildet die Röntgenstrahlung dessen innere Struktur darauf ab. Da die Durchdringungskraft der Röntgenstrahlung für verschiedene Materialien unterschiedlich ist, ergeben für sie weniger transparente Teile des Objekts hellere Bereiche auf der Aufnahme als solche, die die Strahlung gut durchdringt. Daher ist Knochengewebe weniger transparent für Röntgenstrahlen als die Gewebe, aus denen die Haut und die inneren Organe bestehen. Auf dem Röntgenbild werden daher die Knochen heller dargestellt und die strahlendurchlässigere Frakturstelle lässt sich recht gut erkennen. Die Röntgenbildgebung wird auch in der Zahnmedizin zur Erkennung von Karies und Abszessen in den Zahnwurzeln sowie in der Industrie zur Erkennung von Rissen in Gussteilen, Kunststoffen und Gummi verwendet. Röntgenstrahlen werden in der Chemie zur Analyse von Verbindungen und in der Physik zur Untersuchung der Struktur von Kristallen eingesetzt. Ein Röntgenstrahl, der eine chemische Verbindung durchdringt, verursacht eine charakteristische Sekundärstrahlung, deren spektroskopische Analyse dem Chemiker erlaubt, die Zusammensetzung der Verbindung zu bestimmen. Beim Auftreffen auf eine kristalline Substanz wird ein Röntgenstrahl von den Atomen des Kristalls gestreut, wodurch auf einer Fotoplatte ein klares, regelmäßiges Muster aus Punkten und Streifen entsteht, das es ermöglicht, die innere Struktur des Kristalls festzustellen. Die Verwendung von Röntgenstrahlen in der Krebsbehandlung basiert auf der Tatsache, dass sie Krebszellen abtötet. Es kann jedoch auch eine unerwünschte Wirkung auf normale Zellen haben. Daher ist bei dieser Verwendung von Röntgenstrahlen äußerste Vorsicht geboten. Die Röntgenstrahlung wurde von dem deutschen Physiker W. Roentgen (1845-1923) entdeckt. Sein Name ist in einigen anderen physikalischen Begriffen verewigt, die mit dieser Strahlung in Verbindung gebracht werden: Die internationale Einheit der Dosis ionisierender Strahlung heißt Röntgen; ein mit einem Röntgengerät aufgenommenes Bild wird als Röntgenbild bezeichnet; Der Bereich der Strahlenmedizin, der Röntgenstrahlen zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten einsetzt, wird als Radiologie bezeichnet. Röntgen entdeckte die Strahlung 1895 als Physikprofessor an der Universität Würzburg. Bei Experimenten mit Kathodenstrahlen (Elektronenflüsse in Entladungsröhren) bemerkte er, dass ein mit kristallinem Bariumcyanoplatin bedeckter Schirm in der Nähe der Vakuumröhre hell leuchtet, obwohl die Röhre selbst mit schwarzer Pappe bedeckt ist. Röntgen stellte weiter fest, dass die Durchdringungskraft der von ihm entdeckten unbekannten Strahlen, die er Röntgenstrahlen nannte, von der Zusammensetzung des absorbierenden Materials abhängt. Er bildete auch die Knochen seiner eigenen Hand ab, indem er sie zwischen eine Kathodenstrahl-Entladungsröhre und einen mit Bariumcyanoplatin beschichteten Bildschirm legte. Der Entdeckung von Röntgen folgten Experimente anderer Forscher, die viele neue Eigenschaften und Anwendungen dieser Strahlung entdeckten. Einen großen Beitrag leisteten M. Laue, W. Friedrich und P. Knipping, die 1912 die Beugung von Röntgenstrahlen beim Durchgang durch einen Kristall demonstrierten; W. Coolidge, der 1913 eine Hochvakuum-Röntgenröhre mit beheizter Kathode erfand; G. Moseley, der 1913 die Beziehung zwischen der Wellenlänge der Strahlung und der Ordnungszahl eines Elements feststellte; G. und L. Braggi, die 1915 den Nobelpreis für die Entwicklung der Grundlagen der Röntgenbeugungsanalyse erhielten.
RÖNTGENSTRAHLUNG ERHALTEN
Röntgenstrahlung entsteht, wenn Elektronen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, mit Materie wechselwirken. Wenn Elektronen mit Atomen irgendeiner Substanz kollidieren, verlieren sie schnell ihre kinetische Energie. Dabei wird der größte Teil in Wärme und ein kleiner Bruchteil, meist weniger als 1 %, in Röntgenenergie umgewandelt. Diese Energie wird in Form von Quanten freigesetzt – Teilchen, die Photonen genannt werden, die Energie haben, aber keine Ruhemasse haben. Röntgenphotonen unterscheiden sich in ihrer Energie, die umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge ist. Bei dem herkömmlichen Verfahren zum Erhalten von Röntgenstrahlen wird ein weiter Wellenlängenbereich erhalten, der als Röntgenspektrum bezeichnet wird. Das Spektrum enthält ausgeprägte Komponenten, wie in Abb. 1. Ein breites "Kontinuum" wird als kontinuierliches Spektrum oder weiße Strahlung bezeichnet. Die ihm überlagerten scharfen Spitzen werden als charakteristische Röntgenemissionslinien bezeichnet. Obwohl das gesamte Spektrum das Ergebnis von Kollisionen von Elektronen mit Materie ist, sind die Mechanismen für das Auftreten seines breiten Teils und seiner Linien unterschiedlich. Eine Substanz besteht aus einer großen Anzahl von Atomen, von denen jedes einen Kern hat, der von Elektronenhüllen umgeben ist, und jedes Elektron in der Hülle eines Atoms eines bestimmten Elements nimmt ein bestimmtes diskretes Energieniveau ein. Normalerweise werden diese Schalen oder Energieniveaus mit den Symbolen K, L, M usw. bezeichnet, beginnend mit der Schale, die dem Kern am nächsten liegt. Wenn ein einfallendes Elektron ausreichend hoher Energie mit einem der an das Atom gebundenen Elektronen kollidiert, schlägt es dieses Elektron aus seiner Hülle. Der leere Raum wird von einem anderen Elektron aus der Hülle besetzt, was einer höheren Energie entspricht. Letztere gibt überschüssige Energie ab, indem sie ein Röntgenphoton aussendet. Da die Hüllenelektronen diskrete Energiewerte haben, haben auch die resultierenden Röntgenphotonen ein diskretes Spektrum. Dies entspricht scharfen Peaks für bestimmte Wellenlängen, deren spezifische Werte vom Zielelement abhängen. Die charakteristischen Linien bilden K-, L- und M-Reihen, je nachdem aus welcher Schale (K, L oder M) das Elektron entfernt wurde. Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge von Röntgenstrahlen und der Ordnungszahl wird als Moseleysches Gesetz bezeichnet (Abb. 2).

Wenn ein Elektron mit einem relativ schweren Kern kollidiert, wird es langsamer und seine kinetische Energie wird in Form eines Röntgenphotons mit ungefähr derselben Energie freigesetzt. Wenn es am Kern vorbeifliegt, verliert es nur einen Teil seiner Energie, und der Rest wird auf andere Atome übertragen, die in seinen Weg fallen. Jeder Energieverlust führt zur Emission eines Photons mit einer gewissen Energie. Es erscheint ein kontinuierliches Röntgenspektrum, dessen obere Grenze der Energie des schnellsten Elektrons entspricht. Dies ist der Mechanismus für die Bildung eines kontinuierlichen Spektrums, und die maximale Energie (oder minimale Wellenlänge), die die Grenze des kontinuierlichen Spektrums festlegt, ist proportional zur Beschleunigungsspannung, die die Geschwindigkeit der einfallenden Elektronen bestimmt. Die Spektrallinien charakterisieren das Material des beschossenen Targets, während das kontinuierliche Spektrum durch die Energie des Elektronenstrahls bestimmt wird und praktisch nicht vom Targetmaterial abhängt. Röntgenstrahlen können nicht nur durch Elektronenbeschuss erhalten werden, sondern auch durch Bestrahlen des Targets mit Röntgenstrahlen aus einer anderen Quelle. In diesem Fall geht jedoch die meiste Energie des einfallenden Strahls in das charakteristische Röntgenstrahlenspektrum und ein sehr kleiner Bruchteil davon fällt in das kontinuierliche Spektrum. Offensichtlich muss der einfallende Röntgenstrahl Photonen enthalten, deren Energie ausreicht, um die charakteristischen Linien des beschossenen Elements anzuregen. Der hohe Energieanteil pro charakteristischem Spektrum macht diese Methode der Röntgenanregung für die wissenschaftliche Forschung geeignet.
Röntgenröhren. Um Röntgenstrahlung aufgrund der Wechselwirkung von Elektronen mit Materie zu erhalten, ist es notwendig, eine Elektronenquelle, Mittel zu ihrer Beschleunigung auf hohe Geschwindigkeiten und ein Ziel zu haben, das einem Elektronenbeschuss standhalten und Röntgenstrahlung erzeugen kann die erforderliche Intensität. Das Gerät, das all dies hat, wird Röntgenröhre genannt. Frühe Forscher verwendeten "Tiefvakuum"-Röhren wie die heutigen Entladungsröhren. Das Vakuum in ihnen war nicht sehr hoch. Gasentladungsröhren enthalten große Menge Gas, und wenn eine große Potentialdifferenz an die Elektroden der Röhre angelegt wird, verwandeln sich die Gasatome in positive und negative Ionen. Die positiven bewegen sich in Richtung der negativen Elektrode (Kathode) und schlagen Elektronen heraus, wenn sie darauf fallen, und sie bewegen sich wiederum in Richtung der positiven Elektrode (Anode) und erzeugen, indem sie sie bombardieren, einen Strom von Röntgenphotonen . In der von Coolidge entwickelten modernen Röntgenröhre (Abb. 3) ist die Elektronenquelle eine auf hohe Temperatur erhitzte Wolframkathode. Die Elektronen werden durch die hohe Potentialdifferenz zwischen Anode (oder Antikathode) und Kathode auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Da die Elektronen die Anode erreichen müssen, ohne mit Atomen zu kollidieren, ist ein sehr hohes Vakuum erforderlich, wofür die Röhre gut evakuiert sein muss. Dadurch verringert sich auch die Wahrscheinlichkeit einer Ionisation der verbleibenden Gasatome und der daraus resultierenden Seitenströme.

Die Elektronen werden durch eine speziell geformte Elektrode, die die Kathode umgibt, auf die Anode fokussiert. Diese Elektrode wird Fokussierelektrode genannt und bildet zusammen mit der Kathode den "elektronischen Suchscheinwerfer" der Röhre. Die dem Elektronenbeschuss ausgesetzte Anode muss aus einem feuerfesten Material bestehen, da der Großteil der kinetischen Energie der auftreffenden Elektronen in Wärme umgewandelt wird. Außerdem ist es wünschenswert, dass die Anode aus einem Material mit hoher Ordnungszahl besteht, da die Röntgenausbeute steigt mit steigender Ordnungszahl. Als Anodenmaterial wird meist Wolfram mit der Ordnungszahl 74 gewählt.Je nach Einsatzbedingungen und Anforderungen kann die Bauform von Röntgenröhren unterschiedlich sein.
RÖNTGENERKENNUNG
Alle Methoden zum Nachweis von Röntgenstrahlen basieren auf ihrer Wechselwirkung mit Materie. Es gibt zwei Arten von Detektoren: solche, die ein Bild liefern, und solche, die dies nicht tun. Erstere umfassen Röntgenfluorographie- und Fluoroskopiegeräte, bei denen der Röntgenstrahl das zu untersuchende Objekt durchdringt und die durchgelassene Strahlung in den Leuchtschirm oder -film eintritt. Das Bild entsteht dadurch, dass verschiedene Teile des Untersuchungsobjekts Strahlung auf unterschiedliche Weise absorbieren – abhängig von der Dicke der Substanz und ihrer Zusammensetzung. Bei Detektoren mit Leuchtschirm wird die Röntgenenergie in ein direkt beobachtbares Bild umgewandelt, während sie bei der Radiographie auf einer empfindlichen Emulsion aufgezeichnet wird und erst nach der Entwicklung des Films beobachtet werden kann. Die zweite Art von Detektoren umfasst eine Vielzahl von Geräten, in denen die Röntgenenergie in elektrische Signale umgewandelt wird, die die relative Intensität der Strahlung charakterisieren. Dazu gehören Ionisationskammern, ein Geigerzähler, ein Proportionalzähler, ein Szintillationszähler und einige spezielle Detektoren auf Basis von Cadmiumsulfid und Selenid. Derzeit können Szintillationszähler als die effizientesten Detektoren angesehen werden, die in einem weiten Energiebereich gut funktionieren.
siehe auch PARTIKELDEKTOREN . Der Detektor wird unter Berücksichtigung der Bedingungen des Problems ausgewählt. Soll beispielsweise die Intensität gebeugter Röntgenstrahlung genau gemessen werden, werden Zähler eingesetzt, die Messungen mit einer Genauigkeit von Bruchteilen eines Prozents ermöglichen. Wenn viele gebeugte Strahlen registriert werden müssen, empfiehlt sich die Verwendung eines Röntgenfilms, obwohl in diesem Fall die Intensität nicht mit der gleichen Genauigkeit bestimmt werden kann.
RÖNTGEN- UND GAMMA-DEFEKTOSKOPIE
Eine der häufigsten Anwendungen von Röntgenstrahlen in der Industrie ist die Materialqualitätskontrolle und Fehlererkennung. Das Röntgenverfahren ist zerstörungsfrei, so dass das zu prüfende Material, wenn es die geforderten Anforderungen erfüllt, anschließend bestimmungsgemäß verwendet werden kann. Sowohl die Röntgen- als auch die Gamma-Fehlererkennung basieren auf der Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen und den Eigenschaften ihrer Absorption in Materialien. Die Durchschlagskraft wird durch die Energie der Röntgenphotonen bestimmt, die von der Beschleunigungsspannung in der Röntgenröhre abhängt. Daher benötigen dicke Proben und Proben von Schwermetallen wie Gold und Uran für ihre Untersuchung eine Röntgenquelle mit höherer Spannung, und für dünne Proben ist eine Quelle mit niedrigerer Spannung ausreichend. Zur Gammastrahlen-Fehlerprüfung von sehr großen Gussteilen und großen Walzprodukten werden Betatrons und Linearbeschleuniger verwendet, die Teilchen auf Energien von 25 MeV und mehr beschleunigen. Die Absorption von Röntgenstrahlen in einem Material hängt von der Dicke des Absorbers d und dem Absorptionskoeffizienten m ab und wird durch die Formel I = I0e-md bestimmt, wobei I die Intensität der durch den Absorber transmittierten Strahlung, I0 die ist Intensität der einfallenden Strahlung, und e = 2,718 ist die Basis des natürlichen Logarithmus. Für ein gegebenes Material ist bei einer gegebenen Wellenlänge (oder Energie) von Röntgenstrahlen der Absorptionskoeffizient eine Konstante. Die Strahlung einer Röntgenquelle ist aber nicht monochromatisch, sondern enthält ein breites Wellenlängenspektrum, wodurch die Absorption bei gleicher Dicke des Absorbers von der Wellenlänge (Frequenz) der Strahlung abhängt. Röntgenstrahlung wird in allen Branchen, die mit der Verarbeitung von Metallen durch Druck verbunden sind, weit verbreitet eingesetzt. Es wird auch verwendet, um Artillerieläufe, Lebensmittel, Kunststoffe zu testen, um komplexe Geräte und Systeme in der Elektrotechnik zu testen. (Neutronographie, die Neutronenstrahlen anstelle von Röntgenstrahlen verwendet, wird für ähnliche Zwecke verwendet.) Röntgenstrahlen werden auch für andere Zwecke verwendet, z. B. zur Untersuchung von Gemälden auf ihre Echtheit oder zum Nachweis zusätzlicher Farbschichten auf der Hauptschicht .
RÖNTGENBEUGUNG
Röntgenbeugung liefert wichtige Informationen über Festkörper – ihre atomare Struktur und Kristallform – sowie über Flüssigkeiten, amorphe Körper und große Moleküle. Die Beugungsmethode wird auch zur genauen (mit einem Fehler von weniger als 10-5) Bestimmung interatomarer Abstände, zum Nachweis von Spannungen und Defekten und zur Bestimmung der Orientierung von Einkristallen verwendet. Das Beugungsmuster kann unbekannte Materialien identifizieren sowie das Vorhandensein von Verunreinigungen in der Probe erkennen und bestimmen. Die Bedeutung der Röntgenbeugungsmethode für den Fortschritt der modernen Physik kann kaum überschätzt werden, da das moderne Verständnis der Eigenschaften von Materie letztlich auf Daten über die Anordnung von Atomen in verschiedenen chemischen Verbindungen, über die Art der Bindungen basiert zwischen ihnen und auf strukturelle Mängel. Das Hauptwerkzeug, um diese Informationen zu erhalten, ist die Röntgenbeugungsmethode. Die Röntgenbeugungskristallographie ist für die Bestimmung der Strukturen komplexer großer Moleküle wie der Desoxyribonukleinsäure (DNA), dem genetischen Material lebender Organismen, unerlässlich. Unmittelbar nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung konzentrierte sich das wissenschaftliche und medizinische Interesse sowohl auf die Fähigkeit dieser Strahlung, Körper zu durchdringen, als auch auf ihre Natur. Experimente zur Beugung von Röntgenstrahlen an Schlitzen und Beugungsgittern zeigten, dass sie zur elektromagnetischen Strahlung gehört und eine Wellenlänge in der Größenordnung von 10-8-10-9 cm hat, was Wissenschaftler, insbesondere W. Barlow, schon früher vermuteten Die regelmäßige und symmetrische Form natürlicher Kristalle ist auf die geordnete Anordnung der Atome zurückzuführen, die den Kristall bilden. In einigen Fällen war Barlow in der Lage, die Struktur eines Kristalls korrekt vorherzusagen. Der Wert der vorhergesagten Atomabstände betrug 10-8 cm.Die Tatsache, dass sich herausstellte, dass die Atomabstände in der Größenordnungder Röntgenwellenlänge liegen, ermöglichte es im Prinzip, ihre Beugungzu beobachten. Das Ergebnis war die Idee für eines der wichtigsten Experimente in der Geschichte der Physik. M. Laue organisierte einen experimentellen Test dieser Idee, der von seinen Kollegen W. Friedrich und P. Knipping durchgeführt wurde. 1912 veröffentlichten die drei ihre Arbeit über die Ergebnisse der Röntgenbeugung. Prinzipien der Röntgenbeugung. Um das Phänomen der Röntgenbeugung zu verstehen, muss man der Reihe nach betrachten: erstens das Spektrum der Röntgenstrahlen, zweitens die Natur der Kristallstruktur und drittens das Phänomen der Beugung selbst. Wie oben erwähnt, besteht die charakteristische Röntgenstrahlung aus einer Reihe von Spektrallinien hoher Monochromatizität, die durch das Anodenmaterial bestimmt wird. Mit Hilfe von Filtern können Sie die intensivsten davon auswählen. Daher ist es durch geeignete Wahl des Anodenmaterials möglich, eine Quelle nahezu monochromatischer Strahlung mit einem sehr genau definierten Wellenlängenwert zu erhalten. Die Wellenlängen der charakteristischen Strahlung reichen typischerweise von 2,285 für Chrom bis 0,558 für Silber (die Werte für die verschiedenen Elemente sind bis zu sechs signifikanten Stellen bekannt). Das charakteristische Spektrum wird aufgrund der Verzögerung der einfallenden Elektronen in der Anode einem kontinuierlichen "weißen" Spektrum mit viel geringerer Intensität überlagert. Somit können von jeder Anode zwei Arten von Strahlung erhalten werden: Eigen- und Bremsstrahlung, die jeweils auf ihre Weise eine wichtige Rolle spielen. Atome in der Kristallstruktur sind in regelmäßigen Abständen angeordnet und bilden eine Folge identischer Zellen - ein räumliches Gitter. Einige Gitter (zum Beispiel für die meisten gewöhnlichen Metalle) sind ziemlich einfach, während andere (zum Beispiel für Proteinmoleküle) ziemlich komplex sind. Die Kristallstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass man von einem bestimmten Punkt einer Zelle zum entsprechenden Punkt der Nachbarzelle verschiebt, dann findet man genau dieselbe atomare Umgebung vor. Und wenn sich ein Atom an dem einen oder anderen Punkt einer Zelle befindet, dann befindet sich dasselbe Atom am äquivalenten Punkt einer benachbarten Zelle. Dieses Prinzip gilt strikt für einen perfekten, ideal geordneten Kristall. Viele Kristalle (z. B. metallische Mischkristalle) sind jedoch bis zu einem gewissen Grad ungeordnet; kristallographisch äquivalente Plätze können von verschiedenen Atomen besetzt werden. In diesen Fällen wird nicht die Position jedes Atoms bestimmt, sondern nur die Position eines Atoms „statistisch gemittelt“ über eine Vielzahl von Teilchen (oder Zellen). Das Phänomen der Beugung wird im Artikel OPTICS diskutiert und der Leser kann diesen Artikel lesen, bevor er fortfährt. Sie zeigt, dass, wenn Wellen (z. B. Schall, Licht, Röntgenstrahlen) durch einen kleinen Schlitz oder ein kleines Loch gehen, dieses als sekundäre Wellenquelle betrachtet werden kann und das Bild des Schlitzes oder Lochs aus wechselndem Licht besteht und dunkle Streifen. Wenn ferner eine periodische Struktur von Löchern oder Schlitzen vorhanden ist, dann entsteht als Ergebnis der verstärkenden und dämpfenden Interferenz von Strahlen, die von verschiedenen Löchern kommen, ein klares Beugungsmuster. Röntgenbeugung ist ein kollektives Streuphänomen, bei dem die Rolle von Löchern und Streuzentren von periodisch angeordneten Atomen der Kristallstruktur gespielt wird. Die gegenseitige Verstärkung ihrer Bilder unter bestimmten Winkeln ergibt ein Beugungsmuster ähnlich dem, das sich aus der Beugung von Licht an einem dreidimensionalen Beugungsgitter ergeben würde. Streuung tritt aufgrund der Wechselwirkung der einfallenden Röntgenstrahlung mit Elektronen im Kristall auf. Aufgrund der Tatsache, dass die Wellenlänge der Röntgenstrahlung in der gleichen Größenordnung wie die Abmessungen des Atoms liegt, ist die Wellenlänge der gestreuten Röntgenstrahlung dieselbe wie die der einfallenden. Dieser Prozess ist das Ergebnis erzwungener Schwingungen von Elektronen unter Einwirkung einfallender Röntgenstrahlen. Betrachten Sie nun ein Atom mit einer Wolke aus gebundenen Elektronen (die den Kern umgibt), auf die Röntgenstrahlen einfallen. Elektronen in alle Richtungen streuen gleichzeitig den Einfall und emittieren ihre eigene Röntgenstrahlung gleicher Wellenlänge, jedoch unterschiedlicher Intensität. Die Intensität der gestreuten Strahlung hängt mit der Ordnungszahl des Elements zusammen, da Die Ordnungszahl ist gleich der Anzahl der Orbitalelektronen, die an der Streuung teilnehmen können. (Diese Abhängigkeit der Intensität von der Ordnungszahl des streuenden Elements und von der Richtung, in der die Intensität gemessen wird, wird durch den atomaren Streufaktor charakterisiert, der bei der Analyse der Struktur von Kristallen eine äußerst wichtige Rolle spielt.) Lassen Sie uns Wählen Sie in der Kristallstruktur eine lineare Kette von Atomen, die sich in gleichem Abstand zueinander befinden, und betrachten Sie ihr Beugungsmuster. Es wurde bereits festgestellt, dass das Röntgenspektrum aus einem kontinuierlichen Teil ("Kontinuum") und einer Reihe intensiverer Linien besteht, die für das Element charakteristisch sind, das das Anodenmaterial ist. Nehmen wir an, wir haben das kontinuierliche Spektrum herausgefiltert und einen fast monochromatischen Röntgenstrahl erhalten, der auf unsere lineare Atomkette gerichtet ist. Die Verstärkungsbedingung (verstärkende Interferenz) ist erfüllt, wenn der Gangunterschied von an benachbarten Atomen gestreuten Wellen ein Vielfaches der Wellenlänge ist. Wenn der Strahl unter einem Winkel a0 auf eine Reihe von Atomen einfällt, die durch Intervalle a (Periode) getrennt sind, dann wird für den Beugungswinkel a der der Verstärkung entsprechende Gangunterschied geschrieben als a(cos a - cosa0) = hl, wobei l ist die Wellenlänge und h ist eine ganze Zahl (Abb. 4 und 5).

Um diesen Ansatz auf einen dreidimensionalen Kristall zu erweitern, müssen nur Atomreihen in zwei anderen Richtungen im Kristall gewählt und die drei so erhaltenen Gleichungen gemeinsam für drei Kristallachsen mit den Perioden a, b und c gelöst werden. Die anderen beiden Gleichungen sind

Dies sind die drei grundlegenden Laue-Gleichungen für die Röntgenbeugung, wobei die Zahlen h, k und c die Miller-Indizes für die Beugungsebene sind.
siehe auch Kristalle und Kristallographie. Wenn man eine der Laue-Gleichungen betrachtet, zum Beispiel die erste, kann man feststellen, dass, da a, a0, l Konstanten sind und h = 0, 1, 2, ..., ihre Lösung als eine Menge von Kegeln mit dargestellt werden kann eine gemeinsame Achse a (Abb. . 5). Dasselbe gilt für die Richtungen b und c. Im allgemeinen Fall der dreidimensionalen Streuung (Beugung) müssen die drei Laue-Gleichungen eine gemeinsame Lösung haben, d.h. drei Beugungskegel, die sich auf jeder der Achsen befinden, müssen sich schneiden; die gemeinsame Schnittlinie ist in Abb. 1 dargestellt. 6. Die gemeinsame Lösung der Gleichungen führt auf das Bragg-Wulf-Gesetz:

l = 2(d/n)sinq, wobei d der Abstand zwischen den Ebenen mit den Indizes h, k und c (Periode) ist, n = 1, 2, ... ganze Zahlen sind (Beugungsordnung) und q der Winkel ist gebildet durch einfallenden Strahl (sowie Beugung) mit der Ebene des Kristalls, in der Beugung auftritt. Wenn wir die Gleichung des Bragg-Wolfe-Gesetzes für einen Einkristall analysieren, der sich im Weg eines monochromatischen Röntgenstrahls befindet, können wir den Schluss ziehen, dass die Beugung nicht einfach zu beobachten ist, weil l und q sind fest, und sinq Methoden der Beugungsanalyse
Laue-Methode. Das Laue-Verfahren verwendet ein kontinuierliches "weißes" Spektrum von Röntgenstrahlen, das auf einen stationären Einkristall gerichtet ist. Für einen bestimmten Wert der Periode d wird automatisch die der Bragg-Wulf-Bedingung entsprechende Wellenlänge aus dem gesamten Spektrum ausgewählt. Die so gewonnenen Laue-Muster erlauben es, die Richtungen der gebeugten Strahlen und damit die Orientierungen der Kristallebenen zu beurteilen, was auch wichtige Rückschlüsse auf die Symmetrie, Orientierung des Kristalls und das Vorhandensein zulässt von Mängeln darin. In diesem Fall geht jedoch die Information über die räumliche Periode d verloren. Auf Abb. 7 zeigt ein Beispiel eines Lauegramms. Der Röntgenfilm war auf der Seite des Kristalls angeordnet, die der Seite gegenüberlag, auf die der Röntgenstrahl von der Quelle einfiel.

Debye-Scherrer-Methode (für polykristalline Proben). Im Gegensatz zum vorherigen Verfahren wird hier mit monochromatischer Strahlung (l = const) gearbeitet und der Winkel q variiert. Dies wird erreicht, indem eine polykristalline Probe verwendet wird, die aus zahlreichen kleinen Kristalliten mit zufälliger Orientierung besteht, unter denen solche sind, die die Bragg-Wulf-Bedingung erfüllen. Die gebeugten Strahlen bilden Kegel, deren Achse entlang des Röntgenstrahls gerichtet ist. Zur Bildgebung wird üblicherweise ein schmaler Streifen Röntgenfilm in einer zylindrischen Kassette verwendet, und Röntgenstrahlen breiten sich entlang des Durchmessers durch Löcher im Film aus. Das so erhaltene Debyegramm (Abb. 8) enthält genaue Informationen über die Periode d, d.h. über die Struktur des Kristalls, gibt aber nicht die Informationen wieder, die das Lauegram enthält. Daher ergänzen sich beide Methoden. Betrachten wir einige Anwendungen des Debye-Scherrer-Verfahrens.

Identifizierung chemischer Elemente und Verbindungen. Aus dem aus dem Debyegramm bestimmten Winkel q kann man den Netzebenenabstand d berechnen, der für ein gegebenes Element oder eine Verbindung charakteristisch ist. Derzeit wurden viele Tabellen mit d-Werten zusammengestellt, die es ermöglichen, nicht nur das eine oder andere chemische Element oder die Verbindung zu identifizieren, sondern auch verschiedene Phasenzustände derselben Substanz, was nicht immer eine chemische Analyse ergibt. Aus der Abhängigkeit der Periode d von der Konzentration kann auch der Gehalt der zweiten Komponente in Substitutionslegierungen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Spannungsanalyse. Basierend auf der gemessenen Differenz der interplanaren Abstände für verschiedene Richtungen in Kristallen ist es bei Kenntnis des Elastizitätsmoduls des Materials möglich, kleine Spannungen darin mit hoher Genauigkeit zu berechnen.
Untersuchungen zur Vorzugsorientierung in Kristallen. Wenn kleine Kristallite in einer polykristallinen Probe nicht völlig zufällig orientiert sind, haben die Ringe auf dem Debyegramm unterschiedliche Intensitäten. Bei ausgeprägter Vorzugsorientierung konzentrieren sich die Intensitätsmaxima auf einzelne Punkte im Bild, das dem Bild eines Einkristalls ähnlich wird. Beispielsweise erhält ein Blech beim Kaltwalzen eine Textur - eine ausgeprägte Ausrichtung von Kristalliten. Anhand des Debaygramms kann man die Art der Kaltumformung des Materials beurteilen.
Untersuchung der Korngrößen. Wenn die Korngröße des Polykristalls mehr als 10-3 cm beträgt, bestehen die Linien auf dem Debyegram aus separaten Flecken, da in diesem Fall die Anzahl der Kristallite nicht ausreicht, um den gesamten Wertebereich der Winkel abzudecken q. Wenn die Kristallitgröße weniger als 10-5 cm beträgt, werden die Beugungslinien breiter. Ihre Breite ist umgekehrt proportional zur Größe der Kristallite. Die Verbreiterung tritt aus dem gleichen Grund auf, aus dem eine Verringerung der Anzahl von Schlitzen die Auflösung eines Beugungsgitters verringert. Durch Röntgenstrahlung lassen sich Korngrößen im Bereich von 10-7-10-6 cm bestimmen.
Methoden für Einkristalle. Damit die Beugung durch einen Kristall nicht nur Informationen über die räumliche Periode, sondern auch über die Orientierung jedes Satzes von Beugungsebenen liefert, werden Verfahren eines rotierenden Einkristalls verwendet. Auf den Kristall fällt ein monochromatischer Röntgenstrahl. Der Kristall rotiert um die Hauptachse, wofür die Laue-Gleichungen erfüllt sind. Dabei ändert sich der Winkel q, der in der Bragg-Wulf-Formel enthalten ist. Die Beugungsmaxima befinden sich am Schnittpunkt der Laue-Beugungskegel mit der zylindrischen Oberfläche des Films (Abb. 9). Das Ergebnis ist ein Beugungsmuster des in Abb. 10. Es sind jedoch Komplikationen aufgrund der Überlappung verschiedener Beugungsordnungen an einem Punkt möglich. Das Verfahren lässt sich deutlich verbessern, wenn gleichzeitig mit der Drehung des Kristalls auch die Folie in bestimmter Weise bewegt wird.

Untersuchungen von Flüssigkeiten und Gasen. Es ist bekannt, dass Flüssigkeiten, Gase und amorphe Körper nicht die richtige Kristallstruktur haben. Aber auch hier besteht eine chemische Bindung zwischen den Atomen in den Molekülen, wodurch der Abstand zwischen ihnen nahezu konstant bleibt, obwohl die Moleküle selbst zufällig im Raum orientiert sind. Solche Materialien ergeben auch ein Beugungsmuster mit einer relativ kleinen Anzahl verschmierter Maxima. Die Verarbeitung eines solchen Bildes mit modernen Methoden ermöglicht es, Informationen über die Struktur auch solcher nichtkristalliner Materialien zu erhalten.
SPEKTROCHEMISCHE RÖNTGENANALYSE
Ch. Barkla (1877-1944) entdeckte einige Jahre nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen, dass bei Einwirkung eines hochenergetischen Röntgenflusses auf einen Stoff sekundäre fluoreszierende Röntgenstrahlung entsteht, die für das Element charakteristisch ist im Studium. Kurz danach maß G. Moseley in einer Reihe seiner Experimente die Wellenlängen der primären charakteristischen Röntgenstrahlung, die durch Elektronenbeschuss verschiedener Elemente erhalten wurde, und leitete die Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Ordnungszahl ab. Diese Experimente und Braggs Erfindung des Röntgenspektrometers legten den Grundstein für die spektrochemische Röntgenanalyse. Die Möglichkeiten der Röntgenstrahlen für die chemische Analyse wurden sofort erkannt. Spektrogramme wurden mit Registrierung auf einer Fotoplatte erstellt, in der die zu untersuchende Probe als Anode einer Röntgenröhre diente. Leider erwies sich diese Technik als sehr arbeitsaufwändig und wurde daher nur dann eingesetzt, wenn die üblichen Methoden der chemischen Analyse nicht anwendbar waren. Ein herausragendes Beispiel für innovative Forschung auf dem Gebiet der analytischen Röntgenspektroskopie war die Entdeckung eines neuen Elements, Hafnium, durch G. Hevesy und D. Coster im Jahr 1923. Die Entwicklung von Hochleistungs-Röntgenröhren für die Radiographie und empfindlichen Detektoren für radiochemische Messungen während des Zweiten Weltkriegs trug wesentlich zum schnellen Wachstum der Röntgenspektrographie in den folgenden Jahren bei. Diese Methode hat sich aufgrund der Geschwindigkeit, Bequemlichkeit, zerstörungsfreien Natur der Analyse und der Möglichkeit der vollständigen oder teilweisen Automatisierung weit verbreitet. Es ist anwendbar auf die Probleme der quantitativen und qualitativen Analyse aller Elemente mit einer Ordnungszahl größer als 11 (Natrium). Und obwohl die röntgenspektrochemische Analyse normalerweise verwendet wird, um die kritischen Komponenten in einer Probe zu bestimmen (von 0,1-100 %), ist sie in einigen Fällen für Konzentrationen von 0,005 % und sogar niedriger geeignet.
Röntgenspektrometer. Ein modernes Röntgenspektrometer besteht aus drei Hauptsystemen (Abb. 11): Anregungssystemen, d.h. Röntgenröhre mit einer Anode aus Wolfram oder einem anderen feuerfesten Material und einer Stromversorgung; Analysesysteme, d.h. ein Analysatorkristall mit zwei Multi-Slit-Kollimatoren sowie ein Spektrogoniometer zur Feinjustierung; und Registriersysteme mit einem Geiger- oder Proportional- oder Szintillationszähler sowie einem Gleichrichter, Verstärker, Zähler und einem Linienschreiber oder einem anderen Aufzeichnungsgerät.

Röntgenfluoreszenzanalyse. Die analysierte Probe befindet sich im Strahlengang der anregenden Röntgenstrahlen. Der zu untersuchende Bereich der Probe wird üblicherweise durch eine Maske mit einem Loch des gewünschten Durchmessers isoliert, und die Strahlung tritt durch einen Kollimator, der einen parallelen Strahl bildet. Hinter dem Analysatorkristall gibt ein Spaltkollimator gebeugte Strahlung für den Detektor ab. Üblicherweise ist der maximale Winkel q auf 80–85° begrenzt, damit nur Röntgenstrahlen, deren Wellenlänge l durch die Ungleichung l mit dem Netzebenenabstand d zusammenhängt, am Analysatorkristall gebeugt werden können. Röntgenmikroanalyse. Das oben beschriebene flache Analysator-Kristallspektrometer kann für die Mikroanalyse angepasst werden. Dies wird erreicht, indem entweder der primäre Röntgenstrahl oder der sekundäre Röntgenstrahl, der von der Probe emittiert wird, eingeengt wird. Eine Verringerung der effektiven Größe der Probe oder der Strahlungsapertur führt jedoch zu einer Verringerung der Intensität der aufgezeichneten gebeugten Strahlung. Eine Verbesserung dieses Verfahrens kann durch die Verwendung eines gekrümmten Kristallspektrometers erreicht werden, das es ermöglicht, einen Kegel divergierender Strahlung zu registrieren und nicht nur Strahlung parallel zur Achse des Kollimators. Mit einem solchen Spektrometer können Partikel kleiner als 25 µm identifiziert werden. Eine noch stärkere Verringerung der Größe der analysierten Probe wird in dem von R. Kasten erfundenen Röntgenelektronensonden-Mikroanalysator erreicht. Dabei regt ein hochfokussierter Elektronenstrahl die charakteristische Röntgenemission der Probe an, die anschließend mit einem Bent-Crystal-Spektrometer analysiert wird. Mit einem solchen Gerät ist es möglich, Mengen einer Substanz in der Größenordnung von 10–14 g in einer Probe mit einem Durchmesser von 1 μm nachzuweisen. Es wurden auch Anlagen mit Elektronenstrahlabtastung der Probe entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, ein zweidimensionales Muster der Verteilung des Elements über die Probe zu erhalten, dessen charakteristische Strahlung auf das Spektrometer abgestimmt ist.
MEDIZINISCHE RÖNTGENDIAGNOSE
Die Entwicklung der Röntgentechnologie hat die Belichtungszeit erheblich verkürzt und die Bildqualität verbessert, sodass sogar Weichteile untersucht werden können.
Fluorographie. Diese diagnostische Methode besteht darin, ein Schattenbild von einem durchscheinenden Bildschirm zu fotografieren. Der Patient wird zwischen eine Röntgenquelle und einen Flachbildschirm aus Phosphor (normalerweise Cäsiumjodid) gelegt, der leuchtet, wenn er Röntgenstrahlen ausgesetzt wird. Biologische Gewebe unterschiedlicher Dichte erzeugen Schatten von Röntgenstrahlung unterschiedlicher Intensität. Ein Radiologe untersucht ein Schattenbild auf einem Leuchtschirm und stellt eine Diagnose. In der Vergangenheit verließ sich ein Radiologe auf das Sehen, um ein Bild zu analysieren. Mittlerweile gibt es verschiedene Systeme, die das Bild verstärken, auf einem Fernsehbildschirm anzeigen oder Daten im Speicher des Computers aufzeichnen.
Radiographie. Die Aufzeichnung eines Röntgenbildes direkt auf einem fotografischen Film wird als Radiographie bezeichnet. In diesem Fall befindet sich das zu untersuchende Organ zwischen der Röntgenquelle und dem Film, der Informationen über den Zustand des Organs zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst. Wiederholte Röntgenaufnahmen ermöglichen es, ihre weitere Entwicklung zu beurteilen. Mit der Radiographie können Sie die Integrität des Knochengewebes, das hauptsächlich aus Kalzium besteht und für Röntgenstrahlen undurchlässig ist, sowie Muskelgewebsrisse sehr genau untersuchen. Mit seiner Hilfe, besser als mit einem Stethoskop oder Abhören, wird der Zustand der Lunge bei Entzündungen, Tuberkulose oder Flüssigkeitsansammlungen analysiert. Mit Hilfe der Radiographie werden Größe und Form des Herzens sowie die Dynamik seiner Veränderungen bei Patienten mit Herzerkrankungen bestimmt.
Kontrastmittel. Für Röntgenstrahlen durchlässige Körperteile und Hohlräume einzelner Organe werden sichtbar, wenn sie mit einem Kontrastmittel gefüllt sind, das für den Körper ungefährlich ist, aber es erlaubt, die Form der inneren Organe sichtbar zu machen und ihre Funktion zu überprüfen. Kontrastmittel nimmt der Patient entweder oral ein (zB Bariumsalze bei der Untersuchung des Magen-Darm-Traktes) oder sie werden intravenös verabreicht (zB jodhaltige Lösungen bei der Untersuchung der Nieren und Harnwege). In den letzten Jahren wurden diese Verfahren jedoch durch diagnostische Verfahren ersetzt, die auf der Verwendung von radioaktiven Atomen und Ultraschall basieren.
CT-Scan. In den 1970er Jahren wurde eine neue Methode der Röntgendiagnostik entwickelt, die auf einer vollständigen Fotografie des Körpers oder seiner Teile basiert. Bilder von dünnen Schichten ("Scheiben") werden von einem Computer verarbeitet, und das endgültige Bild wird auf dem Monitorbildschirm angezeigt. Dieses Verfahren nennt sich Röntgen-Computertomographie. Es wird in der modernen Medizin häufig zur Diagnose von Infiltraten, Tumoren und anderen Hirnerkrankungen sowie zur Diagnose von Erkrankungen des Weichgewebes im Körper verwendet. Diese Technik erfordert keine Einführung von Fremdkontrastmitteln und ist daher schneller und effektiver als herkömmliche Techniken.
BIOLOGISCHE WIRKUNG VON RÖNTGENSTRAHLUNG
Die schädliche biologische Wirkung der Röntgenstrahlung wurde kurz nach ihrer Entdeckung durch Röntgen entdeckt. Es stellte sich heraus, dass die neue Strahlung so etwas wie einen schweren Sonnenbrand (Erythem) verursachen kann, jedoch mit tieferen und dauerhafteren Hautschäden. Auftretende Geschwüre verwandelten sich oft in Krebs. In vielen Fällen mussten Finger oder Hände amputiert werden. Es gab auch Todesfälle. Es wurde festgestellt, dass Hautschäden vermieden werden können, indem die Expositionszeit und -dosis reduziert, Abschirmungen (z. B. Blei) und Fernbedienungen verwendet werden. Aber nach und nach wurden andere, längerfristige Auswirkungen der Röntgenbestrahlung entdeckt, die dann bestätigt und an Versuchstieren untersucht wurden. Die Wirkungen aufgrund der Einwirkung von Röntgenstrahlen sowie anderer ionisierender Strahlung (wie etwa von radioaktiven Materialien emittierte Gammastrahlung) umfassen: 1) vorübergehende Veränderungen in der Zusammensetzung des Blutes nach einer relativ geringen übermäßigen Exposition; 2) irreversible Veränderungen der Blutzusammensetzung (hämolytische Anämie) nach längerer übermäßiger Exposition; 3) ein Anstieg des Auftretens von Krebs (einschließlich Leukämie); 4) schnelleres Altern und früher Tod; 5) das Auftreten von Katarakten. Darüber hinaus haben biologische Experimente an Mäusen, Kaninchen und Fliegen (Drosophila) gezeigt, dass selbst geringe Dosen einer systematischen Bestrahlung großer Populationen aufgrund einer Erhöhung der Mutationsrate zu schädlichen genetischen Effekten führen. Die meisten Genetiker erkennen die Anwendbarkeit dieser Daten auf den menschlichen Körper an. Die biologische Wirkung von Röntgenstrahlung auf den menschlichen Körper wird durch die Höhe der Strahlendosis sowie durch das jeweilige Körperorgan, das der Strahlung ausgesetzt war, bestimmt. Zum Beispiel werden Blutkrankheiten durch Bestrahlung der blutbildenden Organe, hauptsächlich des Knochenmarks, und genetische Folgen verursacht - durch Bestrahlung der Geschlechtsorgane, die auch zu Unfruchtbarkeit führen können. Die Anhäufung von Wissen über die Auswirkungen von Röntgenstrahlung auf den menschlichen Körper hat zur Entwicklung nationaler und internationaler Normen für zulässige Strahlendosen geführt, die in verschiedenen Referenzpublikationen veröffentlicht wurden. Neben Röntgenstrahlen, die vom Menschen gezielt genutzt werden, gibt es auch die sogenannte gestreute, seitliche Strahlung, die aus verschiedenen Gründen auftritt, beispielsweise durch Streuung aufgrund der Unvollkommenheit des Bleischutzschirms, die dies nicht tut diese Strahlung vollständig absorbieren. Außerdem erzeugen viele elektrische Geräte, die nicht dafür ausgelegt sind, Röntgenstrahlen zu erzeugen, dennoch Röntgenstrahlen als Nebenprodukt. Zu diesen Geräten gehören Elektronenmikroskope, Hochspannungs-Gleichrichterlampen (Kenotrons) sowie Bildröhren veralteter Farbfernseher. Die Produktion moderner Farb-Bildröhren wird in vielen Ländern inzwischen von der Regierung kontrolliert.
GEFÄHRLICHE FAKTOREN DER RÖNTGENSTRAHLUNG
Art und Grad der Gefährdung von Menschen durch Röntgenstrahlen sind abhängig vom Kontingent der Strahlenexponierten.
Fachleute, die mit Röntgengeräten arbeiten. Diese Kategorie umfasst Radiologen, Zahnärzte sowie wissenschaftliche und technische Mitarbeiter und Personal, das Röntgengeräte wartet und verwendet. Es werden wirksame Maßnahmen ergriffen, um die Strahlenbelastung zu reduzieren, mit der sie umgehen müssen.
Patienten. Hier gibt es keine strengen Kriterien, und die sichere Strahlenbelastung, die Patienten während der Behandlung erhalten, wird von den behandelnden Ärzten festgelegt. Ärzten wird geraten, Patienten nicht unnötig Röntgenstrahlen auszusetzen. Bei der Untersuchung von Schwangeren und Kindern ist besondere Vorsicht geboten. In diesem Fall werden besondere Maßnahmen ergriffen.
Kontrollmethoden. Dazu gibt es drei Aspekte:
1) Verfügbarkeit angemessener Ausrüstung, 2) Durchsetzung von Sicherheitsvorschriften, 3) ordnungsgemäße Verwendung der Ausrüstung. Bei einer Röntgenuntersuchung sollte nur der gewünschte Bereich bestrahlt werden, seien es Zahnuntersuchungen oder Lungenuntersuchungen. Beachten Sie, dass unmittelbar nach dem Ausschalten des Röntgengeräts sowohl die Primär- als auch die Sekundärstrahlung verschwinden; es gibt auch keine Reststrahlung, die selbst denen, die in ihrer Arbeit direkt damit zu tun haben, nicht immer bekannt ist.
siehe auch
ATOMSTRUKTUR;

Der deutsche Wissenschaftler Wilhelm Conrad Roentgen kann zu Recht als Begründer der Radiographie und Entdecker der wesentlichen Eigenschaften der Röntgenstrahlen bezeichnet werden.

Damals, im Jahr 1895, ahnte er die von ihm entdeckte Anwendungsbreite und Popularität der Röntgenstrahlung noch nicht einmal, obwohl sie schon damals eine breite Resonanz in der Welt der Wissenschaft erregte.

Es ist unwahrscheinlich, dass der Erfinder hätte ahnen können, welchen Nutzen oder Schaden die Früchte seiner Tätigkeit bringen würden. Aber heute werden wir versuchen herauszufinden, welche Wirkung diese Art von Strahlung auf den menschlichen Körper hat.

• Röntgenstrahlung ist mit einer enormen Durchdringungskraft ausgestattet, die jedoch von der Wellenlänge und Dichte des bestrahlten Materials abhängt;
• unter dem Einfluss von Strahlung beginnen einige Objekte zu leuchten;
• die Röntgenstrahlen wirken sich auf Lebewesen aus;
• Dank Röntgenstrahlen treten einige biochemische Reaktionen auf;
• Ein Röntgenstrahl kann einigen Atomen Elektronen entziehen und sie dadurch ionisieren.

Auch den Erfinder selbst beschäftigte vor allem die Frage, was genau die von ihm entdeckten Strahlen waren.

Nach einer ganzen Reihe experimenteller Untersuchungen fand der Wissenschaftler heraus, dass Röntgenstrahlen Zwischenwellen zwischen Ultraviolett- und Gammastrahlung sind, deren Länge 10 -8 cm beträgt.

Die oben aufgeführten Eigenschaften des Röntgenstrahls haben zerstörerische Eigenschaften, was jedoch nicht verhindert, dass sie für nützliche Zwecke verwendet werden.

Wo also in der modernen Welt können Röntgenstrahlen eingesetzt werden?

1. Sie können verwendet werden, um die Eigenschaften vieler Moleküle und kristalliner Formationen zu untersuchen.
2. Zur Fehlersuche, also zur Überprüfung von Industrieteilen und Geräten auf Mängel.
3. In der medizinischen Industrie und therapeutischen Forschung.

Aufgrund der kurzen Länge des gesamten Spektrums dieser Wellen und ihrer einzigartigen Eigenschaften wurde die wichtigste Anwendung der von Wilhelm Röntgen entdeckten Strahlung möglich.

Da sich das Thema unseres Artikels auf die Auswirkungen von Röntgenstrahlen auf den menschlichen Körper beschränkt, der ihnen nur im Krankenhaus begegnet, werden wir nur diesen Anwendungszweig betrachten.

Der Wissenschaftler, der die Röntgenstrahlen erfand, machte sie zu einem unschätzbaren Geschenk für die gesamte Erdbevölkerung, weil er seine Nachkommen nicht zur weiteren Verwendung patentieren ließ.

Seit dem Ersten Weltkrieg haben tragbare Röntgengeräte Hunderte von Verwundeten gerettet. Röntgenstrahlen haben heute zwei Hauptanwendungen:

1. Diagnose damit.

Die Röntgendiagnostik wird in verschiedenen Optionen eingesetzt:

• Röntgen oder Durchleuchtung;
• Röntgen oder Foto;
• fluorographische Studie;
• Tomographie mit Röntgenstrahlen.

Jetzt müssen wir verstehen, wie sich diese Methoden voneinander unterscheiden:

1. Die erste Methode geht davon aus, dass sich das Objekt zwischen einem speziellen Schirm mit fluoreszierenden Eigenschaften und einer Röntgenröhre befindet. Der Arzt wählt anhand individueller Merkmale die erforderliche Strahlenstärke aus und erhält auf dem Bildschirm ein Bild der Knochen und inneren Organe.
2. Bei der zweiten Methode wird der Patient auf einen speziellen Röntgenfilm in einer Kassette gelegt. In diesem Fall wird die Ausrüstung über der Person platziert. Mit dieser Technik erhalten Sie ein Negativbild, jedoch mit feineren Details als bei der Fluoroskopie.
3. Massenuntersuchungen der Bevölkerung auf Lungenerkrankungen ermöglichen eine Fluorographie. Zum Zeitpunkt des Eingriffs wird das Bild von einem großen Monitor auf einen speziellen Film übertragen.
4. Mit der Tomographie können Sie Bilder der inneren Organe in mehreren Abschnitten erhalten. Es wird eine ganze Reihe von Bildern aufgenommen, die im Folgenden als Tomogramm bezeichnet werden.
5. Wenn Sie die Hilfe eines Computers mit der vorherigen Methode verbinden, erstellen spezielle Programme ein vollständiges Bild, das mit einem Röntgenscanner erstellt wurde.

Alle diese Methoden zur Diagnose von Gesundheitsproblemen basieren auf der einzigartigen Eigenschaft von Röntgenstrahlen, fotografische Filme zu beleuchten. Gleichzeitig ist die Durchdringungsfähigkeit von inaktiven und anderen Geweben unseres Körpers unterschiedlich, was im Bild dargestellt wird.

Nachdem eine weitere Eigenschaft von Röntgenstrahlen, Gewebe aus biologischer Sicht zu beeinflussen, entdeckt wurde, begann man, diese Eigenschaft aktiv in der Tumortherapie zu nutzen.

Zellen, insbesondere bösartige, teilen sich sehr schnell, und die ionisierende Eigenschaft der Strahlung wirkt sich positiv auf die therapeutische Therapie aus und verlangsamt das Tumorwachstum.

Die Kehrseite der Medaille ist jedoch die negative Wirkung von Röntgenstrahlen auf die Zellen des blutbildenden, endokrinen und des Immunsystems, die sich ebenfalls schnell teilen. Als Folge des negativen Einflusses der Röntgenstrahlung manifestiert sich die Strahlenkrankheit.

Die Wirkung von Röntgenstrahlen auf den menschlichen Körper

Buchstäblich unmittelbar nach einer so lauten Entdeckung in der wissenschaftlichen Welt wurde bekannt, dass Röntgenstrahlen den menschlichen Körper beeinträchtigen können:

1. Im Zuge der Erforschung der Eigenschaften von Röntgenstrahlen stellte sich heraus, dass sie Verbrennungen auf der Haut verursachen können. Thermisch sehr ähnlich. Die Tiefe der Läsion war jedoch viel größer als bei häuslichen Verletzungen, und sie heilten schlechter. Viele Wissenschaftler, die sich mit diesen heimtückischen Strahlungen beschäftigen, haben ihre Finger verloren.
2. Durch Versuch und Irrtum wurde festgestellt, dass Verbrennungen vermieden werden können, wenn Sie die Zeit und die Rebe der Begabung reduzieren. Später wurden Bleischirme und die Fernbestrahlung von Patienten eingesetzt.
3. Die langfristige Perspektive der Schädlichkeit der Strahlen zeigt, dass Veränderungen in der Zusammensetzung des Blutes nach der Bestrahlung zu Leukämie und vorzeitiger Alterung führen.
4. Der Schweregrad der Einwirkung von Röntgenstrahlen auf den menschlichen Körper hängt direkt vom bestrahlten Organ ab. So kann es bei der Radiographie des kleinen Beckens zu Unfruchtbarkeit und bei der Diagnose hämatopoetischer Organe - Blutkrankheiten kommen.
5. Schon kleinste Expositionen, aber über einen langen Zeitraum, können zu Veränderungen auf genetischer Ebene führen.

Natürlich wurden alle Studien an Tieren durchgeführt, aber Wissenschaftler haben bewiesen, dass pathologische Veränderungen auch für den Menschen gelten.

WICHTIG! Auf Basis der gewonnenen Daten wurden weltweit einheitliche Röntgenbelichtungsstandards entwickelt.

Dosen von Röntgenstrahlen für die Diagnose

Wahrscheinlich fragt sich jeder, der die Arztpraxis nach einer Röntgenaufnahme verlässt, wie sich dieses Verfahren auf seine zukünftige Gesundheit auswirken wird.

Strahlenbelastung existiert auch in der Natur und wir begegnen ihr täglich. Um besser verständlich zu machen, wie Röntgenstrahlen auf unseren Körper wirken, vergleichen wir dieses Verfahren mit der natürlichen Strahlung:

• auf einer Röntgenaufnahme des Brustkorbs erhält eine Person eine Strahlendosis, die 10 Tagen Hintergrundbelastung entspricht, und der Magen oder Darm - 3 Jahre;
• Tomogramm auf dem Computer der Bauchhöhle oder des ganzen Körpers - das entspricht 3 Jahren Bestrahlung;
• Untersuchung auf Röntgenaufnahme des Brustkorbs - 3 Monate;
• Gliedmaßen werden bestrahlt, praktisch ohne die Gesundheit zu schädigen;
• Zahnröntgen ist aufgrund der genauen Strahlrichtung und der minimalen Belichtungszeit ebenfalls ungefährlich.

WICHTIG! Trotz der Tatsache, dass die angegebenen Daten, egal wie beängstigend sie klingen mögen, internationalen Anforderungen entsprechen. Der Patient hat jedoch das Recht, bei starker Angst um sein Wohl um zusätzliche Schutzmaßnahmen zu bitten.

Wir alle werden mit Röntgenuntersuchungen konfrontiert, und das mehr als einmal. Eine Kategorie von Personen außerhalb der vorgeschriebenen Verfahren sind jedoch schwangere Frauen.

Tatsache ist, dass Röntgenstrahlen die Gesundheit des ungeborenen Kindes extrem beeinträchtigen. Diese Wellen können durch die Beeinflussung der Chromosomen zu intrauterinen Fehlbildungen führen.

WICHTIG! Die gefährlichste Zeit für Röntgenaufnahmen ist die Schwangerschaft vor der 16. Woche. Während dieser Zeit sind die Becken-, Bauch- und Wirbelregionen des Babys am anfälligsten.

Ärzte auf der ganzen Welt wissen um eine solch negative Eigenschaft von Röntgenstrahlen und versuchen zu vermeiden, sie schwangeren Frauen zu verschreiben.

Aber es gibt noch andere Strahlungsquellen, denen eine schwangere Frau begegnen kann:

• Elektrisch betriebene Mikroskope;
• Farbfernsehmonitore.

Wer sich darauf vorbereitet, Mutter zu werden, muss sich der Gefahr bewusst sein, die auf ihn wartet. Während der Stillzeit stellen Röntgenstrahlen keine Gefahr für den Körper der Stillenden und des Babys dar.

Und nach dem Röntgen?

Selbst die geringfügigsten Auswirkungen der Röntgenbestrahlung können minimiert werden, indem einige einfache Empfehlungen befolgt werden:

• Trinken Sie sofort nach dem Eingriff Milch. Wie Sie wissen, ist es in der Lage, Strahlung zu entfernen;
• trockener Weißwein oder Traubensaft hat die gleichen Eigenschaften;
• Es ist wünschenswert, zunächst mehr jodhaltige Lebensmittel zu essen.

WICHTIG! Sie sollten nach dem Besuch des Röntgenraums keine medizinischen Verfahren anwenden oder medizinische Methoden anwenden.

Egal wie negativ die Eigenschaften der einmal entdeckten Röntgenstrahlen sind, der Nutzen ihrer Verwendung überwiegt bei weitem den Schaden. In medizinischen Einrichtungen wird das Transilluminationsverfahren schnell und mit minimalen Dosen durchgeführt.

1895 entdeckte der deutsche Physiker W. Roentgen eine neue, bisher unbekannte Art elektromagnetischer Strahlung, die zu Ehren ihres Entdeckers Röntgenstrahlung genannt wurde. W. Röntgen wurde im Alter von 50 Jahren zum Autor seiner Entdeckung, bekleidete das Amt des Rektors der Universität Würzburg und galt als einer der besten Experimentatoren seiner Zeit. Einer der ersten, der eine technische Anwendung für Röntgens Entdeckung fand, war der Amerikaner Edison. Er schuf einen handlichen Demonstrationsapparat und organisierte bereits im Mai 1896 eine Röntgenausstellung in New York, bei der die Besucher ihre eigene Hand auf einem Leuchtschirm betrachten konnten. Nachdem Edisons Assistent an den schweren Verbrennungen starb, die er sich durch ständige Demonstrationen zugezogen hatte, stoppte der Erfinder weitere Experimente mit Röntgenstrahlen.

Röntgenstrahlung wurde aufgrund ihrer hohen Durchdringungskraft in der Medizin eingesetzt. Anfänglich wurden Röntgenstrahlen verwendet, um Knochenbrüche zu untersuchen und Fremdkörper im menschlichen Körper zu lokalisieren. Derzeit gibt es mehrere Methoden, die auf Röntgenstrahlen basieren. Doch diese Methoden haben ihre Nachteile: Strahlung kann die Haut tief schädigen. Auftretende Geschwüre verwandelten sich oft in Krebs. In vielen Fällen mussten Finger oder Hände amputiert werden. Fluoroskopie(Synonym für Transluzenz) ist eine der Hauptmethoden der Röntgenuntersuchung, die darin besteht, ein planares positives Bild des zu untersuchenden Objekts auf einem durchscheinenden (fluoreszierenden) Bildschirm zu erhalten. Während der Durchleuchtung befindet sich das Objekt zwischen einem durchscheinenden Schirm und einer Röntgenröhre. Auf modernen durchscheinenden Röntgenbildschirmen erscheint das Bild in dem Moment, in dem die Röntgenröhre eingeschaltet wird, und verschwindet unmittelbar nach dem Ausschalten. Die Fluoroskopie ermöglicht es, die Funktion des Organs zu untersuchen - Herzpulsation, Atembewegungen der Rippen, Lunge, Zwerchfell, Peristaltik des Verdauungstrakts usw. Die Fluoroskopie wird zur Behandlung von Erkrankungen des Magens, des Magen-Darm-Trakts, des Zwölffingerdarms, von Erkrankungen der Leber, der Gallenblase und der Gallenwege eingesetzt. Gleichzeitig werden die medizinische Sonde und die Manipulatoren ohne Gewebeschädigung eingeführt, und die Aktionen während der Operation werden durch Fluoroskopie kontrolliert und sind auf dem Monitor sichtbar.
Radiographie - Methode der Röntgendiagnostik mit Registrierung eines Standbildes auf einem lichtempfindlichen Material - speziell. Fotofilm (Röntgenfilm) oder Fotopapier mit anschließender Fotoentwicklung; Bei der digitalen Radiographie wird das Bild im Speicher des Computers festgehalten. Sie wird an Röntgendiagnostikgeräten – stationär, installiert in speziell ausgestatteten Röntgenräumen oder mobil und tragbar – am Bett des Patienten oder im OP durchgeführt. Auf Röntgenbildern werden die Elemente der Strukturen verschiedener Organe viel klarer dargestellt als auf einem fluoreszierenden Bildschirm. Radiographie wird durchgeführt, um verschiedene Krankheiten zu erkennen und zu verhindern, ihr Hauptziel ist es, Ärzten verschiedener Fachrichtungen zu helfen, eine korrekte und schnelle Diagnose zu stellen. Ein Röntgenbild erfasst nur den Zustand eines Organs oder Gewebes zum Zeitpunkt der Aufnahme. Eine einzelne Röntgenaufnahme erfasst jedoch nur anatomische Veränderungen zu einem bestimmten Zeitpunkt, sie gibt die Statik des Prozesses wieder; Durch eine Reihe von Röntgenaufnahmen, die in bestimmten Abständen aufgenommen werden, ist es möglich, die Dynamik des Prozesses, dh funktionelle Veränderungen, zu untersuchen. Tomographie. Das Wort Tomographie kann aus dem Griechischen übersetzt werden als Slice-Bild. Das bedeutet, dass der Zweck der Tomographie darin besteht, ein geschichtetes Bild der inneren Struktur des Untersuchungsobjekts zu erhalten. Die Computertomographie zeichnet sich durch eine hohe Auflösung aus, die es ermöglicht, subtile Veränderungen in Weichteilen zu erkennen. Die CT ermöglicht es, solche pathologischen Prozesse zu erkennen, die mit anderen Methoden nicht erkannt werden können. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von CT, die Röntgenstrahlendosis zu reduzieren, die Patienten während des Diagnoseprozesses erhalten.
Fluorographie- Eine diagnostische Methode, mit der Sie sich ein Bild von Organen und Geweben machen können, wurde Ende des 20. Jahrhunderts entwickelt, ein Jahr nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen. Auf den Bildern sehen Sie Sklerose, Fibrose, Fremdkörper, Neubildungen, Entzündungen, die einen fortgeschrittenen Grad haben, das Vorhandensein von Gasen und Infiltrationen in den Hohlräumen, Abszessen, Zysten und so weiter. Am häufigsten wird eine Röntgenaufnahme des Brustkorbs durchgeführt, mit der Tuberkulose, ein bösartiger Tumor in der Lunge oder im Brustkorb, und andere Pathologien erkannt werden können.
Röntgentherapie- Dies ist eine moderne Methode, mit der die Behandlung bestimmter Pathologien der Gelenke durchgeführt wird. Die Hauptrichtungen der Behandlung orthopädischer Erkrankungen mit dieser Methode sind: Chronisch. Entzündungsprozesse der Gelenke (Arthritis, Polyarthritis); Degenerativ (Osteoarthritis, Osteochondrose, deformierende Spondylose). Der Zweck der Strahlentherapie ist die Hemmung der Vitalaktivität von Zellen pathologisch veränderter Gewebe oder deren vollständige Zerstörung. Bei Nicht-Tumorerkrankungen zielt die Röntgentherapie darauf ab, die Entzündungsreaktion zu unterdrücken, proliferative Prozesse zu hemmen, die Schmerzempfindlichkeit und die sekretorische Aktivität der Drüsen zu verringern. Zu beachten ist, dass die Geschlechtsdrüsen, hämatopoetischen Organe, Leukozyten und bösartigen Tumorzellen am empfindlichsten auf Röntgenstrahlen reagieren. Die Strahlendosis wird jeweils individuell bestimmt.

Für die Entdeckung der Röntgenstrahlen erhielt Röntgen 1901 den ersten Nobelpreis für Physik, und das Nobelkomitee betonte die praktische Bedeutung seiner Entdeckung.
Röntgenstrahlen sind also unsichtbare elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 105 - 102 nm. Röntgenstrahlen können einige Materialien durchdringen, die für sichtbares Licht undurchlässig sind. Sie werden beim Abbremsen schneller Elektronen in Materie (kontinuierliches Spektrum) und beim Übergang von Elektronen von den äußeren Elektronenhüllen des Atoms zu den inneren (lineares Spektrum) emittiert. Quellen der Röntgenstrahlung sind: Röntgenröhre, einige radioaktive Isotope, Beschleuniger und Akkumulatoren von Elektronen (Synchrotronstrahlung). Empfänger - Film, Leuchtschirme, Kernstrahlungsdetektoren. Röntgenstrahlen werden in der Röntgenbeugungsanalyse, Medizin, Fehlersuche, Röntgenspektralanalyse usw. verwendet.

Die moderne Medizin bedient sich vieler Ärzte zur Diagnose und Therapie. Einige von ihnen wurden erst vor relativ kurzer Zeit verwendet, während andere seit mehr als einem Dutzend oder sogar Hunderten von Jahren praktiziert werden. Außerdem entdeckte William Conrad Roentgen vor hundertzehn Jahren die erstaunlichen Röntgenstrahlen, die in der wissenschaftlichen und medizinischen Welt eine bedeutende Resonanz hervorriefen. Und jetzt verwenden Ärzte auf der ganzen Welt sie in ihrer Praxis. Das Thema unseres heutigen Gesprächs wird Röntgenstrahlen in der Medizin sein, auf deren Anwendung wir etwas ausführlicher eingehen werden.

Röntgenstrahlen sind eine der Varianten der elektromagnetischen Strahlung. Sie zeichnen sich durch erhebliche Durchdringungseigenschaften aus, die von der Wellenlänge der Strahlung sowie von der Dichte und Dicke der bestrahlten Materialien abhängen. Darüber hinaus können Röntgenstrahlen eine Reihe von Substanzen zum Leuchten bringen, lebende Organismen beeinflussen, Atome ionisieren und auch einige photochemische Reaktionen katalysieren.

Die Verwendung von Röntgenstrahlen in der Medizin

Bis heute erlauben die Eigenschaften von Röntgenstrahlen einen breiten Einsatz in der Röntgendiagnostik und Röntgentherapie.

Röntgendiagnostik

Die Röntgendiagnostik wird verwendet bei der Durchführung von:

Röntgen (Übertragung);
- Radiographie (Bild);
- Fluorographie;
- Röntgen und Computertomographie.

Fluoroskopie

Um eine solche Untersuchung durchzuführen, muss sich der Patient zwischen der Röntgenröhre und einem speziellen Leuchtschirm positionieren. Ein spezialisierter Radiologe wählt die erforderliche Härte der Röntgenstrahlen aus und erhält auf dem Bildschirm ein Bild der inneren Organe sowie der Rippen.

Radiographie

Für diese Untersuchung wird der Patient auf eine Kassette gelegt, die einen speziellen Film enthält. Das Röntgengerät wird direkt über dem Objekt platziert. Als Ergebnis erscheint auf dem Film ein Negativbild der inneren Organe, das eine Reihe feiner Details enthält, detaillierter als bei einer fluoroskopischen Untersuchung.

Fluorographie

Diese Studie wird während medizinischer Massenuntersuchungen der Bevölkerung durchgeführt, auch zum Nachweis von Tuberkulose. Gleichzeitig wird ein Bild von einer großen Leinwand auf einen Spezialfilm projiziert.

Tomographie

Bei der Tomographie helfen Computerstrahlen, Bilder von Organen an mehreren Stellen gleichzeitig zu erhalten: in speziell ausgewählten Gewebequerschnitten. Diese Reihe von Röntgenstrahlen wird als Tomogramm bezeichnet.

Computertomogramm

Eine solche Studie ermöglicht es Ihnen, Abschnitte des menschlichen Körpers mit einem Röntgenscanner zu registrieren. Nachdem die Daten in den Computer eingegeben wurden, erhält man ein Bild im Querschnitt.

Jede der aufgeführten diagnostischen Methoden basiert auf den Eigenschaften des Röntgenstrahls, den Film zu beleuchten, sowie auf der Tatsache, dass sich menschliches Gewebe und Knochenskelett in unterschiedlicher Durchlässigkeit für ihre Wirkungen unterscheiden.

Röntgentherapie

Die Fähigkeit von Röntgenstrahlen, Gewebe in besonderer Weise zu beeinflussen, wird zur Behandlung von Tumorbildungen genutzt. Gleichzeitig macht sich die ionisierende Wirkung dieser Strahlung besonders aktiv bemerkbar, wenn sie teilungsfähigen Zellen ausgesetzt ist. Es sind diese Eigenschaften, die die Zellen bösartiger onkologischer Formationen auszeichnen.

Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Röntgentherapie viele schwerwiegende Nebenwirkungen haben kann. Ein solcher Einfluss wirkt sich aggressiv auf den Zustand des hämatopoetischen, endokrinen und Immunsystems aus, dessen Zellen sich ebenfalls sehr schnell teilen. Aggressive Einflüsse auf sie können Anzeichen einer Strahlenkrankheit hervorrufen.

Die Wirkung von Röntgenstrahlung auf den Menschen

Bei der Untersuchung von Röntgenstrahlen stellten Ärzte fest, dass sie zu Hautveränderungen führen können, die einem Sonnenbrand ähneln, jedoch mit tieferen Hautschäden einhergehen. Solche Geschwüre heilen sehr lange. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass solche Läsionen vermieden werden können, indem die Zeit und Dosis der Strahlung reduziert sowie spezielle Abschirmungs- und Fernsteuerungsmethoden verwendet werden.

Der aggressive Einfluss von Röntgenstrahlen kann sich auch langfristig manifestieren: vorübergehende oder dauerhafte Veränderungen der Blutzusammensetzung, Leukämieanfälligkeit und vorzeitige Alterung.

Die Wirkung von Röntgenstrahlen auf einen Menschen hängt von vielen Faktoren ab: Welches Organ wird wie lange bestrahlt. Die Bestrahlung der hämatopoetischen Organe kann zu Blutkrankheiten führen, und die Exposition gegenüber den Geschlechtsorganen kann zu Unfruchtbarkeit führen.

Die Durchführung einer systematischen Bestrahlung ist mit der Entwicklung genetischer Veränderungen im Körper behaftet.

Der wahre Schaden von Röntgenstrahlen in der Röntgendiagnostik

Während der Untersuchung verwenden die Ärzte die geringstmögliche Menge an Röntgenstrahlen. Alle Strahlendosen erfüllen bestimmte akzeptable Standards und können einer Person nicht schaden. Die Röntgendiagnostik stellt nur für die Ärzte, die sie durchführen, eine erhebliche Gefahr dar. Und dann helfen moderne Schutzmethoden, die Aggression der Strahlen auf ein Minimum zu reduzieren.

Zu den sichersten Methoden der Radiodiagnostik gehören Röntgenaufnahmen der Extremitäten sowie Zahnröntgen. An zweiter Stelle dieser Bewertung steht die Mammographie, gefolgt von der Computertomographie und danach die Radiographie.

Damit der Einsatz von Röntgenstrahlen in der Medizin einer Person nur zugute kommt, ist es notwendig, mit ihrer Hilfe nur nach Indikation zu forschen.

1895 entdeckte der deutsche Physiker Röntgen bei Experimenten zum Stromdurchgang zwischen zwei Elektroden im Vakuum, dass ein mit einem Leuchtstoff (Bariumsalz) bedeckter Schirm leuchtet, obwohl das Entladungsrohr mit einem schwarzen Pappschirm verschlossen ist - So wurde Strahlung entdeckt, die undurchsichtige Barrieren durchdringt, Röntgenstrahlen genannt. Es wurde festgestellt, dass Röntgenstrahlen, die für den Menschen unsichtbar sind, in undurchsichtigen Objekten umso stärker absorbiert werden, je größer die Ordnungszahl (Dichte) der Barriere ist, sodass Röntgenstrahlen die Weichteile des menschlichen Körpers leicht passieren, aber zurückgehalten werden durch die Knochen des Skeletts. Es wurden Quellen für starke Röntgenstrahlen entwickelt, die es ermöglichten, durch Metallteile zu strahlen und darin innere Defekte zu finden.

Der deutsche Physiker Laue schlug vor, dass Röntgenstrahlen die gleiche elektromagnetische Strahlung wie sichtbare Lichtstrahlen sind, aber mit einer kürzeren Wellenlänge und alle Gesetze der Optik auf sie anwendbar sind, einschließlich Beugung ist möglich. In der Optik des sichtbaren Lichts kann die Beugung auf elementarer Ebene als die Reflexion von Licht von einem Rillensystem dargestellt werden - einem Beugungsgitter, das nur unter bestimmten Winkeln auftritt, während der Reflexionswinkel der Strahlen mit dem Einfallswinkel zusammenhängt. der Abstand zwischen den Rillen des Beugungsgitters und der Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Für die Beugung ist es erforderlich, dass der Abstand zwischen den Strichen ungefähr gleich der Wellenlänge des einfallenden Lichts ist.

Laue schlug vor, dass Röntgenstrahlen eine Wellenlänge nahe dem Abstand zwischen einzelnen Atomen in Kristallen haben, d.h. Atome in einem Kristall erzeugen ein Beugungsgitter für Röntgenstrahlen. Auf die Oberfläche des Kristalls gerichtete Röntgenstrahlen wurden, wie von der Theorie vorhergesagt, auf der Fotoplatte reflektiert.

Jede Positionsänderung von Atomen beeinflusst das Beugungsmuster, und durch Untersuchung der Beugung von Röntgenstrahlen kann man die Anordnung von Atomen in einem Kristall und die Änderung dieser Anordnung unter physikalischen, chemischen und mechanischen Einflüssen auf den Kristall herausfinden .

Jetzt wird die Röntgenanalyse in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie eingesetzt, mit ihrer Hilfe lernten sie die Anordnung von Atomen in bestehenden Materialien und schufen neue Materialien mit einer bestimmten Struktur und Eigenschaften. Die jüngsten Fortschritte auf diesem Gebiet (Nanomaterialien, amorphe Metalle, Verbundwerkstoffe) schaffen ein Betätigungsfeld für die nächsten wissenschaftlichen Generationen.

Das Vorkommen und die Eigenschaften von Röntgenstrahlen

Die Röntgenquelle ist eine Röntgenröhre mit zwei Elektroden - einer Kathode und einer Anode. Wenn die Kathode erhitzt wird, findet eine Elektronenemission statt, die von der Kathode emittierten Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und treffen auf die Anodenoberfläche. Eine Röntgenröhre unterscheidet sich von einer herkömmlichen Radiolampe (Diode) hauptsächlich durch eine höhere Beschleunigungsspannung (mehr als 1 kV).

Wenn ein Elektron aus der Kathode fliegt, lässt es das elektrische Feld in Richtung der Anode fliegen, während seine Geschwindigkeit kontinuierlich zunimmt, trägt das Elektron ein Magnetfeld, dessen Intensität mit der Geschwindigkeit des Elektrons zunimmt. Beim Erreichen der Anodenoberfläche wird das Elektron stark abgebremst und es entsteht ein elektromagnetischer Impuls mit Wellenlängen in einem bestimmten Bereich (Bremsstrahlung). Die Verteilung der Strahlungsintensität über Wellenlängen hängt vom Material der Anode der Röntgenröhre und der angelegten Spannung ab, während diese Kurve auf der kurzwelligen Seite bei einer bestimmten minimalen Schwellenwellenlänge beginnt, die von der angelegten Spannung abhängt. Der Satz von Strahlen mit allen möglichen Wellenlängen bildet ein kontinuierliches Spektrum, und die Wellenlänge, die der maximalen Intensität entspricht, ist das 1,5-fache der minimalen Wellenlänge.

Mit steigender Spannung verändert sich das Röntgenspektrum durch die Wechselwirkung von Atomen mit hochenergetischen Elektronen und Quanten primärer Röntgenstrahlung dramatisch. Ein Atom enthält innere Elektronenhüllen (Energieniveaus), deren Anzahl von der Ordnungszahl abhängt (bezeichnet mit den Buchstaben K, L, M usw.) Elektronen und primäre Röntgenstrahlen schlagen Elektronen von einem Energieniveau zum anderen heraus . Es entsteht ein metastabiler Zustand, und für den Übergang in einen stabilen Zustand ist ein Elektronensprung in die entgegengesetzte Richtung notwendig. Dieser Sprung wird von der Freisetzung eines Energiequants und dem Auftreten von Röntgenstrahlen begleitet. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen mit kontinuierlichem Spektrum hat diese Strahlung einen sehr engen Wellenlängenbereich und eine hohe Intensität (charakteristische Strahlung) ( cm. Reis.). Die Anzahl der Atome, die die Intensität der charakteristischen Strahlung bestimmen, ist sehr groß, zum Beispiel für eine Röntgenröhre mit einer Kupferanode bei einer Spannung von 1 kV, einem Strom von 15 mA, 10 14–10 15 Atome geben charakteristische Strahlung ab für 1 Sek. Dieser Wert errechnet sich aus dem Verhältnis der gesamten Röntgenleistung zur Energie des Röntgenquants aus der K-Schale (K-Reihe der Röntgencharakteristikstrahlung). Die Gesamtleistung der Röntgenstrahlung beträgt in diesem Fall nur 0,1% der verbrauchten Leistung, der Rest geht hauptsächlich durch den Übergang in Wärme verloren.

Aufgrund ihrer hohen Intensität und ihres engen Wellenlängenbereichs ist charakteristische Röntgenstrahlung die Hauptstrahlungsart, die in der wissenschaftlichen Forschung und Prozesskontrolle verwendet wird. Gleichzeitig mit den Strahlen der K-Serie werden Strahlen der L- und M-Serie erzeugt, die viel längere Wellenlängen haben, aber ihre Anwendung ist begrenzt. Die K-Serie hat zwei Komponenten mit nahe beieinander liegenden Wellenlängen a und b, während die Intensität der b-Komponente fünfmal geringer ist als a. Die a-Komponente wiederum ist durch zwei sehr nahe beieinander liegende Wellenlängen gekennzeichnet, von denen die eine doppelt so intensiv ist wie die andere. Um Strahlung mit einer einzigen Wellenlänge (monochromatische Strahlung) zu erhalten, wurden spezielle Verfahren entwickelt, die die Abhängigkeit der Absorption und Beugung von Röntgenstrahlen von der Wellenlänge nutzen. Eine Erhöhung der Ordnungszahl eines Elements ist mit einer Änderung der Eigenschaften der Elektronenhüllen verbunden, und je größer die Ordnungszahl des Anodenmaterials der Röntgenröhre ist, desto kürzer ist die Wellenlänge der K-Reihe. Die am weitesten verbreiteten Röhren mit Anoden aus Elementen mit Ordnungszahlen von 24 bis 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) und Wellenlängen von 2,29 bis 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Neben der Röntgenröhre können radioaktive Isotope Quellen von Röntgenstrahlen sein, einige können direkt Röntgenstrahlen emittieren, andere emittieren Elektronen und a-Teilchen, die beim Beschuss von Metallzielen Röntgenstrahlen erzeugen. Die Röntgenintensität radioaktiver Quellen ist normalerweise viel geringer als die einer Röntgenröhre (mit Ausnahme von radioaktivem Kobalt, das zur Fehlersuche verwendet wird und Strahlung einer sehr kleinen Wellenlänge - g-Strahlung) abgibt klein und benötigen keinen Strom. Synchrotron-Röntgenstrahlen werden in Elektronenbeschleunigern erzeugt, die Wellenlänge dieser Strahlung ist viel höher als die in Röntgenröhren erhaltene (weiche Röntgenstrahlung), ihre Intensität ist um mehrere Größenordnungen höher als die Intensität von Röntgenröhren. Es gibt auch natürliche Quellen von Röntgenstrahlen. Radioaktive Verunreinigungen wurden in vielen Mineralien gefunden, und Röntgenstrahlen von Weltraumobjekten, einschließlich Sternen, wurden aufgezeichnet.

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Kristallen

Bei der Röntgenuntersuchung von Materialien mit kristalliner Struktur werden die Interferenzmuster analysiert, die durch die Streuung von Röntgenstrahlen durch Elektronen entstehen, die zu den Atomen des Kristallgitters gehören. Atome gelten als unbeweglich, ihre thermischen Schwingungen werden nicht berücksichtigt, und alle Elektronen desselben Atoms gelten als an einem Punkt konzentriert - einem Knoten des Kristallgitters.

Um die Grundgleichungen der Röntgenbeugung in einem Kristall herzuleiten, wird die Interferenz von Strahlen betrachtet, die an Atomen gestreut werden, die sich entlang einer geraden Linie im Kristallgitter befinden. Auf diese Atome fällt eine ebene Welle monochromatischer Röntgenstrahlung unter einem Winkel, dessen Kosinus gleich a 0 ist. Die Interferenzgesetze von an Atomen gestreuten Strahlen ähneln denen eines Beugungsgitters, das Lichtstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich streut. Damit sich die Amplituden aller Schwingungen in großer Entfernung von der Atomreihe aufsummieren, ist es notwendig und ausreichend, dass der Unterschied im Gang der Strahlen, die von jedem Paar benachbarter Atome kommen, eine ganze Zahl von Wellenlängen enthält. Wenn der Abstand zwischen Atomen a diese Bedingung sieht so aus:

a(a – a0) = h ich,

wobei a der Kosinus des Winkels zwischen der Atomreihe und dem abgelenkten Strahl ist, h- ganze Zahl. In alle Richtungen, die diese Gleichung nicht erfüllen, breiten sich die Strahlen nicht aus. Somit bilden die gestreuten Strahlen ein System koaxialer Kegel, deren gemeinsame Achse die Atomreihe ist. Spuren von Kegeln auf einer Ebene parallel zur Atomreihe sind Hyperbeln und auf einer Ebene senkrecht zur Reihe Kreise.

Wenn Strahlen unter einem konstanten Winkel einfallen, zerfällt polychromatische (weiße) Strahlung in ein Spektrum von Strahlen, die unter festen Winkeln abgelenkt werden. Die Atomreihe ist also ein Spektrograph für Röntgenstrahlen.

Die Verallgemeinerung auf ein zweidimensionales (flaches) Atomgitter und dann auf ein dreidimensionales volumetrisches (räumliches) Kristallgitter ergibt zwei weitere ähnliche Gleichungen, die die Einfalls- und Reflexionswinkel von Röntgenstrahlen und die Abstände zwischen Atomen in drei enthalten Richtungen. Diese Gleichungen werden Laue-Gleichungen genannt und liegen der Röntgenbeugungsanalyse zugrunde.

Die Amplituden der von parallelen Atomebenen reflektierten Strahlen addieren sich und seitdem die Zahl der Atome sehr groß ist, kann die reflektierte Strahlung experimentell bestimmt werden. Die Reflexionsbedingung wird durch die Wulff-Bragg-Gleichung2d sinq = nl beschrieben, wobei d der Abstand zwischen benachbarten Atomebenen ist, q der Glanzwinkel zwischen der Richtung des einfallenden Strahls und diesen Ebenen im Kristall ist, l der Röntgenstrahl ist Wellenlänge, und n ist eine ganze Zahl, die Reflexionsordnung genannt wird. Der Winkel q ist der Einfallswinkel in Bezug auf die Atomebenen, die nicht notwendigerweise in Richtung mit der Oberfläche der untersuchten Probe zusammenfallen.

Es wurden mehrere Methoden der Röntgenbeugungsanalyse entwickelt, die sowohl Strahlung mit einem kontinuierlichen Spektrum als auch monochromatische Strahlung verwenden. Dabei kann das Untersuchungsobjekt stationär oder rotierend sein, aus einem Kristall (Einkristall) oder vielen (Polykristall) bestehen, gebeugte Strahlung kann mit einem ebenen oder zylindrischen Röntgenfilm oder einem sich bewegenden Röntgendetektor aufgenommen werden um den Umfang herum wird jedoch in allen Fällen während des Experiments und der Interpretation der Ergebnisse die Wulf-Bragg-Gleichung verwendet.

Röntgenanalyse in Wissenschaft und Technik

Mit der Entdeckung der Röntgenbeugung steht Forschern eine Methode zur Verfügung, mit der sie ohne Mikroskop die Anordnung einzelner Atome und Veränderungen dieser Anordnung unter äußeren Einflüssen untersuchen können.

Die Hauptanwendung von Röntgenstrahlen in der Grundlagenforschung ist die Strukturanalyse, d.h. Feststellung der räumlichen Anordnung einzelner Atome in einem Kristall. Dazu werden Einkristalle gezüchtet und eine Röntgenanalyse durchgeführt, bei der sowohl der Ort als auch die Intensität der Reflexionen untersucht werden. Jetzt wurden nicht nur die Strukturen von Metallen, sondern auch von komplexen organischen Substanzen bestimmt, in denen Elementarzellen Tausende von Atomen enthalten.

In der Mineralogie wurden die Strukturen tausender Mineralien durch Röntgenanalyse bestimmt und Schnellverfahren zur Analyse mineralischer Rohstoffe geschaffen.

Metalle haben eine relativ einfache Kristallstruktur und die Röntgenmethode ermöglicht es, ihre Veränderungen während verschiedener technologischer Behandlungen zu untersuchen und die physikalischen Grundlagen für neue Technologien zu schaffen.

Die Phasenzusammensetzung von Legierungen wird durch die Linienanordnung auf Röntgenbildern, die Anzahl, Größe und Form der Kristalle durch ihre Breite, die Orientierung der Kristalle (Textur) durch die Intensitätsverteilung im Beugungskegel bestimmt.

Diese Techniken werden verwendet, um die Prozesse während der plastischen Verformung zu untersuchen, einschließlich des Zerbrechens von Kristallen, des Auftretens von inneren Spannungen und von Fehlern in der Kristallstruktur (Versetzungen). Beim Erhitzen verformter Materialien werden Spannungsabbau und Kristallwachstum (Rekristallisation) untersucht.

Bei der Röntgenanalyse von Legierungen bestimmen Sie die Zusammensetzung und Konzentration von Mischkristallen. Wenn eine feste Lösung auftritt, ändern sich die interatomaren Abstände und folglich die Abstände zwischen Atomebenen. Diese Änderungen sind gering, daher wurden spezielle Präzisionsverfahren entwickelt, um die Perioden des Kristallgitters mit einer Genauigkeit zu messen, die zwei Größenordnungen höher ist als die Messgenauigkeit herkömmlicher Röntgenverfahren. Die Kombination von Präzisionsmessungen der Perioden des Kristallgitters und der Phasenanalyse ermöglicht es, die Grenzen der Phasengebiete in das Zustandsdiagramm einzuzeichnen. Das Röntgenverfahren kann auch Zwischenzustände zwischen Mischkristallen und chemischen Verbindungen erkennen – geordnete Mischkristalle, in denen Fremdatome nicht zufällig wie in Mischkristallen und gleichzeitig nicht mit einer dreidimensionalen Ordnung wie in Chemikalien angeordnet sind Verbindungen. Auf den Röntgenbildern geordneter Mischkristalle gibt es zusätzliche Linien; die Interpretation der Röntgenbilder zeigt, dass Fremdatome bestimmte Plätze im Kristallgitter besetzen, zum Beispiel an den Ecken eines Würfels.

Während des Abschreckens einer Legierung, die keinen Phasenumwandlungen unterliegt, kann eine übersättigte feste Lösung auftreten, und beim weiteren Erhitzen oder sogar Halten bei Raumtemperatur zersetzt sich die feste Lösung unter Freisetzung von Partikeln einer chemischen Verbindung. Dies ist der Effekt des Alterns und erscheint auf Röntgenbildern als Veränderung der Position und Breite der Linien. Die Untersuchung der Alterung ist besonders wichtig für Nichteisenlegierungen, zum Beispiel verwandelt die Alterung eine weiche, gehärtete Aluminiumlegierung in ein starkes Strukturmaterial, Duraluminium.

Röntgenuntersuchungen der Wärmebehandlung von Stahl sind von größter technologischer Bedeutung. Beim Härten (schnelles Abkühlen) von Stahl tritt ein diffusionsloser Austenit-Martensit-Phasenübergang auf, der zu einer Änderung des Gefüges von kubisch nach tetragonal, d.h. die Einheitszelle hat die Form eines rechteckigen Prismas. Auf Röntgenbildern erscheint dies als eine Erweiterung der Linien und die Trennung einiger Linien in zwei. Die Gründe für diesen Effekt sind nicht nur eine Änderung der Kristallstruktur, sondern auch das Auftreten großer Eigenspannungen aufgrund des thermodynamischen Ungleichgewichts des martensitischen Gefüges und der schnellen Abkühlung. Beim Anlassen (Erhitzen von gehärtetem Stahl) verengen sich die Linien auf den Röntgenbildern, dies liegt an der Rückkehr zum Gleichgewichtsgefüge.

In den letzten Jahren haben Röntgenuntersuchungen zur Bearbeitung von Materialien mit konzentrierten Energieströmen (Laserstrahlen, Stoßwellen, Neutronen und Elektronenpulse) große Bedeutung erlangt, sie erforderten neue Techniken und erzeugten neue Röntgeneffekte. Beispielsweise kommt es bei der Einwirkung von Laserstrahlen auf Metalle zu einer so schnellen Erwärmung und Abkühlung, dass im Metall beim Abkühlen die Kristalle Zeit haben, nur bis zu einer Größe von mehreren Einheitszellen (Nanokristallen) zu wachsen oder keine Zeit haben, sich zu bilden überhaupt. Ein solches Metall sieht nach dem Abkühlen wie ein gewöhnliches aus, ergibt jedoch keine klaren Linien im Röntgenmuster, und die reflektierten Röntgenstrahlen sind über den gesamten Bereich der Glanzwinkel verteilt.

Nach der Neutronenbestrahlung erscheinen auf den Röntgenbildern zusätzliche Flecken (diffuse Maxima). Radioaktiver Zerfall verursacht auch spezifische Röntgeneffekte, die mit einer Veränderung der Struktur verbunden sind, sowie die Tatsache, dass die untersuchte Probe selbst zu einer Quelle von Röntgenstrahlen wird.