Radiasi sinar-X (sinonim dengan sinar-X) memiliki rentang panjang gelombang yang lebar (dari 8·10 -6 hingga 10 -12 cm). Radiasi sinar-X terjadi ketika partikel bermuatan, paling sering elektron, melambat di medan listrik atom suatu zat. Kuanta yang dihasilkan memiliki energi yang berbeda dan membentuk spektrum kontinu. Energi foton maksimum dalam spektrum seperti itu sama dengan energi elektron yang datang. Dalam (lihat) energi maksimum kuanta sinar-x, yang dinyatakan dalam kiloelektron-volt, secara numerik sama dengan besarnya tegangan yang diterapkan pada tabung, yang dinyatakan dalam kilovolt. Ketika melewati suatu zat, sinar-X berinteraksi dengan elektron atomnya. Untuk kuanta sinar-X dengan energi hingga 100 keV, jenis interaksi yang paling khas adalah efek fotolistrik. Sebagai hasil dari interaksi seperti itu, energi kuantum sepenuhnya dihabiskan untuk menarik elektron dari kulit atom dan memberikan energi kinetik padanya. Dengan peningkatan energi kuantum sinar-X, kemungkinan efek fotolistrik berkurang dan proses hamburan kuanta pada elektron bebas, yang disebut efek Compton, menjadi dominan. Sebagai hasil dari interaksi seperti itu, sebuah elektron sekunder juga terbentuk dan, sebagai tambahan, sebuah kuantum dengan energi lebih kecil dari energi kuantum primer terbang keluar. Jika energi kuantum sinar-X melebihi satu megaelektron-volt, yang disebut efek berpasangan dapat terjadi, di mana elektron dan positron terbentuk (lihat). Akibatnya, ketika melewati suatu zat, terjadi penurunan energi radiasi sinar-X, yaitu penurunan intensitasnya. Karena penyerapan kuanta berenergi rendah terjadi dengan probabilitas yang lebih tinggi, radiasi sinar-X diperkaya dengan kuanta berenergi lebih tinggi. Sifat radiasi sinar-X ini digunakan untuk meningkatkan energi rata-rata kuanta, yaitu untuk meningkatkan kekakuannya. Peningkatan kekerasan radiasi sinar-X dicapai dengan menggunakan filter khusus (lihat). Radiasi sinar-X digunakan untuk diagnostik sinar-X (lihat) dan (lihat). Lihat juga Radiasi pengion.

Radiasi sinar-X (sinonim: sinar-x, sinar-x) - radiasi elektromagnetik kuantum dengan panjang gelombang 250 hingga 0,025 A (atau kuanta energi dari 5 10 -2 hingga 5 10 2 keV). Pada tahun 1895, ditemukan oleh V.K. Roentgen. Daerah spektral radiasi elektromagnetik yang berdekatan dengan sinar-x, yang kuanta energinya melebihi 500 keV, disebut radiasi gamma (lihat); radiasi, yang kuanta energinya di bawah 0,05 keV, adalah radiasi ultraviolet (lihat).

Dengan demikian, mewakili bagian yang relatif kecil dari spektrum luas radiasi elektromagnetik, yang mencakup gelombang radio dan cahaya tampak, radiasi sinar-X, seperti radiasi elektromagnetik lainnya, merambat dengan kecepatan cahaya (sekitar 300 ribu km / s dalam ruang hampa). ) dan dicirikan oleh panjang gelombang ( jarak di mana radiasi merambat dalam satu periode osilasi). Radiasi sinar-X juga memiliki sejumlah sifat gelombang lain (refraksi, interferensi, difraksi), tetapi jauh lebih sulit untuk mengamatinya daripada radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang: cahaya tampak, gelombang radio.

Spektrum sinar-X: a1 - spektrum bremsstrahlung kontinu pada 310 kV; a - spektrum bremsstrahlung kontinu pada 250 kV, spektrum a1 - tersaring oleh 1 mm Cu, spektrum a2 - tersaring oleh 2 mm Cu, b - K-series dari garis tungsten.

Untuk menghasilkan sinar-x, tabung sinar-x digunakan (lihat), di mana radiasi terjadi ketika elektron cepat berinteraksi dengan atom zat anoda. Ada dua jenis sinar-x: bremsstrahlung dan karakteristik. Radiasi sinar-X Bremsstrahlung, yang memiliki spektrum kontinu, mirip dengan cahaya putih biasa. Distribusi intensitas tergantung pada panjang gelombang (Gbr.) diwakili oleh kurva dengan maksimum; pada arah gelombang panjang, kurvanya menurun secara perlahan, dan pada arah gelombang pendek, kurva tersebut menjadi curam dan putus pada panjang gelombang tertentu (λ0), yang disebut batas panjang gelombang pendek dari spektrum kontinu. Nilai 0 berbanding terbalik dengan tegangan pada tabung. Bremsstrahlung muncul dari interaksi elektron cepat dengan inti atom. Intensitas bremsstrahlung berbanding lurus dengan kekuatan arus anoda, kuadrat tegangan tabung, dan nomor atom (Z) bahan anoda.

Jika energi elektron yang dipercepat dalam tabung sinar-X melebihi nilai kritis untuk zat anoda (energi ini ditentukan oleh tegangan tabung Vcr, yang sangat penting untuk zat ini), maka terjadi radiasi karakteristik. Spektrum cirinya adalah garis, garis spektrumnya membentuk deret, dilambangkan dengan huruf K, L, M, N.

Deret K adalah panjang gelombang terpendek, deret L adalah panjang gelombang yang lebih panjang, deret M dan N diamati hanya pada elemen berat (Vcr tungsten untuk seri K adalah 69,3 kv, untuk seri L - 12,1 kv). Radiasi karakteristik muncul sebagai berikut. Elektron cepat menjatuhkan elektron atom dari kulit dalam. Atom tereksitasi dan kemudian kembali ke keadaan dasar. Dalam hal ini, elektron dari kulit terluar yang kurang terikat mengisi ruang kosong di kulit dalam, dan foton radiasi karakteristik dengan energi yang sama dengan perbedaan antara energi atom dalam keadaan tereksitasi dan dasar dipancarkan. Perbedaan ini (dan karenanya energi foton) memiliki nilai tertentu, karakteristik setiap elemen. Fenomena ini mendasari analisis spektral sinar-X unsur. Gambar tersebut menunjukkan spektrum garis tungsten dengan latar belakang spektrum kontinu bremsstrahlung.

Energi elektron yang dipercepat dalam tabung sinar-X diubah hampir seluruhnya menjadi energi panas (dalam hal ini anoda dipanaskan dengan kuat), hanya sebagian kecil (sekitar 1% pada tegangan mendekati 100 kV) diubah menjadi energi bremsstrahlung .

Penggunaan sinar-x dalam pengobatan didasarkan pada hukum penyerapan sinar-x oleh materi. Penyerapan sinar-x sepenuhnya tidak tergantung pada sifat optik bahan penyerap. Kaca timbal yang tidak berwarna dan transparan yang digunakan untuk melindungi personel di ruang sinar-X menyerap sinar-X hampir sepenuhnya. Sebaliknya, selembar kertas yang tidak tembus cahaya tidak melemahkan sinar-X.

Intensitas sinar-X homogen (yaitu, panjang gelombang tertentu), ketika melewati lapisan penyerap, berkurang menurut hukum eksponensial (e-x), di mana e adalah basis logaritma natural (2,718), dan eksponen x sama dengan produk dari koefisien redaman massa (μ / p) cm 2 /g per ketebalan penyerap dalam g / cm 2 (di sini p adalah kerapatan zat dalam g / cm 3). Sinar-X dilemahkan oleh hamburan dan penyerapan. Dengan demikian, koefisien atenuasi massa adalah jumlah dari koefisien penyerapan massa dan hamburan. Koefisien penyerapan massa meningkat tajam dengan meningkatnya nomor atom (Z) dari penyerap (sebanding dengan Z3 atau Z5) dan dengan meningkatnya panjang gelombang (sebanding dengan 3). Ketergantungan pada panjang gelombang ini diamati dalam pita-pita serapan, pada batas-batas yang menunjukkan lompatan koefisien.

Koefisien hamburan massa meningkat dengan meningkatnya nomor atom zat. Untuk 0,3Å koefisien hamburan tidak bergantung pada panjang gelombang, untuk<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Penurunan koefisien penyerapan dan hamburan dengan penurunan panjang gelombang menyebabkan peningkatan daya tembus sinar-X. Koefisien penyerapan massa untuk tulang [penyerapan terutama karena Ca 3 (PO 4) 2 ] hampir 70 kali lebih besar daripada jaringan lunak, di mana penyerapan terutama karena air. Ini menjelaskan mengapa bayangan tulang menonjol begitu tajam pada radiografi dengan latar belakang jaringan lunak.

Perambatan sinar-X yang tidak homogen melalui media apa pun, bersama dengan penurunan intensitas, disertai dengan perubahan komposisi spektral, perubahan kualitas radiasi: bagian gelombang panjang dari spektrum diserap ke tingkat yang lebih besar dari bagian gelombang pendek, radiasi menjadi lebih seragam. Memfilter bagian panjang gelombang panjang dari spektrum memungkinkan untuk meningkatkan rasio antara dosis dalam dan dosis permukaan selama terapi sinar-X dari fokus yang terletak jauh di dalam tubuh manusia (lihat filter sinar-X). Untuk mengkarakterisasi kualitas berkas sinar-X yang tidak homogen, konsep "setengah lapisan redaman (L)" digunakan - lapisan zat yang melemahkan radiasi hingga setengahnya. Ketebalan lapisan ini tergantung pada tegangan pada tabung, ketebalan dan bahan filter. Cellophane (hingga energi 12 keV), aluminium (20–100 keV), tembaga (60–300 keV), timbal, dan tembaga (>300 keV) digunakan untuk mengukur setengah lapisan redaman. Untuk sinar-X yang dihasilkan pada tegangan 80-120 kV, 1 mm tembaga setara dengan kapasitas penyaringan 26 mm aluminium, 1 mm timbal setara dengan 50,9 mm aluminium.

Penyerapan dan hamburan sinar-X disebabkan oleh sifat selnya; Sinar-X berinteraksi dengan atom sebagai aliran sel darah (partikel) - foton, yang masing-masing memiliki energi tertentu (berbanding terbalik dengan panjang gelombang sinar-X). Rentang energi foton sinar-X adalah 0,05-500 keV.

Penyerapan radiasi sinar-X disebabkan oleh efek fotolistrik: penyerapan foton oleh kulit elektron disertai dengan pelepasan elektron. Atom tereksitasi dan, kembali ke keadaan dasar, memancarkan radiasi karakteristik. Fotoelektron yang dipancarkan membawa semua energi foton (dikurangi energi ikat elektron dalam atom).

Hamburan radiasi sinar-X disebabkan oleh elektron dari media hamburan. Ada hamburan klasik (panjang gelombang radiasi tidak berubah, tetapi arah rambat berubah) dan hamburan dengan perubahan panjang gelombang - efek Compton (panjang gelombang radiasi hamburan lebih besar daripada yang datang). Dalam kasus terakhir, foton berperilaku seperti bola yang bergerak, dan hamburan foton terjadi, menurut ekspresi figuratif Comnton, seperti permainan biliar dengan foton dan elektron: bertabrakan dengan elektron, foton mentransfer sebagian energinya untuk itu dan menyebar, memiliki energi yang sudah lebih sedikit (masing-masing, panjang gelombang radiasi yang tersebar meningkat), elektron terbang keluar dari atom dengan energi mundur (elektron ini disebut elektron Compton, atau elektron mundur). Penyerapan energi sinar-X terjadi selama pembentukan elektron sekunder (Compton dan fotoelektron) dan transfer energi ke elektron tersebut. Energi sinar-X yang ditransfer ke satuan massa suatu zat menentukan dosis sinar-X yang diserap. Satuan dosis ini 1 rad sesuai dengan 100 erg/g. Karena energi yang diserap dalam zat penyerap, sejumlah proses sekunder terjadi yang penting untuk dosimetri sinar-X, karena pada merekalah metode pengukuran sinar-X didasarkan. (lihat Dosimetri).

Semua gas dan banyak cairan, semikonduktor dan dielektrik, di bawah aksi sinar-X, meningkatkan konduktivitas listrik. Konduktivitas ditemukan oleh bahan isolasi terbaik: parafin, mika, karet, amber. Perubahan konduktivitas disebabkan oleh ionisasi medium, yaitu pemisahan molekul netral menjadi ion positif dan negatif (ionisasi dihasilkan oleh elektron sekunder). Ionisasi di udara digunakan untuk menentukan dosis paparan radiasi sinar-X (dosis di udara), yang diukur dalam rontgen (lihat Dosis Radiasi Pengion). Pada dosis 1 r, dosis yang diserap di udara adalah 0,88 rad.

Di bawah aksi sinar-X, sebagai akibat dari eksitasi molekul suatu zat (dan selama rekombinasi ion), dalam banyak kasus, cahaya yang terlihat dari zat tersebut tereksitasi. Pada radiasi sinar-X dengan intensitas tinggi, cahaya tampak dari udara, kertas, parafin, dll. diamati (logam adalah pengecualian). Hasil tertinggi dari cahaya tampak diberikan oleh fosfor kristal seperti Zn·CdS·Ag-fosfor dan lain-lain yang digunakan untuk layar dalam fluoroskopi.

Di bawah aksi sinar-X, berbagai proses kimia juga dapat terjadi dalam suatu zat: penguraian perak halida (efek fotografi yang digunakan dalam sinar-X), penguraian air dan larutan hidrogen peroksida dalam air, perubahan sifat seluloid (pengaburan dan pelepasan kapur barus), parafin (pengaburan dan pemutihan) .

Sebagai hasil dari konversi lengkap, semua energi sinar-X yang diserap oleh bahan kimia inert diubah menjadi panas. Pengukuran jumlah panas yang sangat kecil memerlukan metode yang sangat sensitif, tetapi merupakan metode utama untuk pengukuran absolut sinar-X.

Efek biologis sekunder dari paparan sinar-x adalah dasar dari radioterapi medis (lihat). Sinar-X, yang kuanta 6-16 keV (panjang gelombang efektif dari 2 hingga 5 ), hampir sepenuhnya diserap oleh kulit jaringan tubuh manusia; mereka disebut sinar batas, atau kadang-kadang sinar Bucca (lihat sinar Bucca). Untuk terapi sinar-X dalam, radiasi yang disaring keras dengan kuanta energi efektif dari 100 hingga 300 keV digunakan.

Efek biologis radiasi sinar-x harus diperhitungkan tidak hanya dalam terapi sinar-x, tetapi juga dalam diagnostik sinar-x, serta dalam semua kasus lain dari kontak dengan sinar-x yang memerlukan penggunaan proteksi radiasi ( Lihat).

Sinar-X adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang sekitar 80 sampai 10 -5 nm. Radiasi sinar-X dengan panjang gelombang terpanjang ditutupi oleh ultraviolet dengan panjang gelombang pendek, panjang gelombang pendek - oleh radiasi dengan panjang gelombang panjang. Menurut metode eksitasi, radiasi sinar-X dibagi menjadi bremsstrahlung dan karakteristik.

31.1. PERANGKAT TABUNG X-ray. rontgen bremsstrahlung

Sumber sinar-x yang paling umum adalah tabung sinar-x, yang merupakan perangkat vakum dua elektroda (Gbr. 31.1). Katoda yang dipanaskan 1 memancarkan elektron 4. Anoda 2, sering disebut sebagai antikatoda, memiliki permukaan miring untuk mengarahkan sinar-X yang dihasilkan 3 membentuk sudut terhadap sumbu tabung. Anoda terbuat dari bahan penghantar panas yang tinggi untuk menghilangkan panas yang dihasilkan oleh tumbukan elektron. Permukaan anoda terbuat dari bahan tahan api yang memiliki nomor atom besar dalam tabel periodik, seperti tungsten. Dalam beberapa kasus, anoda didinginkan secara khusus dengan air atau minyak.

Untuk tabung diagnostik, ketepatan sumber sinar-X penting, yang dapat dicapai dengan memfokuskan elektron di satu tempat antikatoda. Oleh karena itu, secara konstruktif, dua tugas yang berlawanan harus diperhitungkan: di satu sisi, elektron harus jatuh di satu tempat anoda, di sisi lain, untuk mencegah panas berlebih, diinginkan untuk mendistribusikan elektron ke berbagai bagian anoda. anoda. Sebagai salah satu solusi teknis yang menarik adalah tabung sinar-X dengan anoda berputar (Gbr. 31.2).

Akibat perlambatan elektron (atau partikel bermuatan lainnya) oleh medan elektrostatik inti atom dan elektron atom zat antikatoda, radiasi bremsstrahlung.

Mekanismenya dapat dijelaskan sebagai berikut. Muatan listrik yang bergerak dikaitkan dengan medan magnet, yang induksinya tergantung pada kecepatan elektron. Saat pengereman, magnet

induksi dan, sesuai dengan teori Maxwell, gelombang elektromagnetik muncul.

Ketika elektron melambat, hanya sebagian energi yang digunakan untuk membuat foton sinar-X, sebagian lagi dihabiskan untuk memanaskan anoda. Karena rasio antara bagian-bagian ini acak, ketika sejumlah besar elektron melambat, spektrum radiasi sinar-x terus menerus terbentuk. Dalam hal ini, bremsstrahlung disebut juga kontinu. pada gambar. 31.3 menunjukkan ketergantungan fluks sinar-X pada panjang gelombang (spektra) pada tegangan yang berbeda dalam tabung sinar-X: U 1< U 2 < U 3 .

Dalam setiap spektrum, panjang gelombang terpendek bremsstrahlung λ ηίη muncul ketika energi yang diperoleh elektron dalam medan percepatan diubah sepenuhnya menjadi energi foton:

Perhatikan bahwa berdasarkan (31.2) salah satu metode yang paling akurat untuk penentuan eksperimental konstanta Planck telah dikembangkan.

Sinar-X dengan panjang gelombang pendek biasanya memiliki daya tembus yang lebih besar daripada yang memiliki panjang gelombang panjang dan disebut keras, dan gelombang panjang lembut.

Dengan meningkatkan tegangan pada tabung sinar-X, komposisi spektral radiasi berubah, seperti yang dapat dilihat dari Gambar. 31.3 dan formula (31.3), dan meningkatkan kekakuan.

Jika suhu filamen katoda dinaikkan, maka emisi elektron dan arus dalam tabung akan meningkat. Ini akan meningkatkan jumlah foton sinar-X yang dipancarkan setiap detik. Komposisi spektralnya tidak akan berubah. pada gambar. 31.4 menunjukkan spektrum sinar-X bremsstrahlung pada tegangan yang sama, tetapi pada arus filamen katoda yang berbeda: / n1< / н2 .

Fluks sinar-X dihitung dengan rumus:

di mana kamu dan SAYA- tegangan dan arus dalam tabung sinar-x; Z- nomor seri atom zat anoda; k- koefisien proporsionalitas. Spektrum diperoleh dari antikatoda yang berbeda secara bersamaan kamu dan I H ditunjukkan pada gambar. 31.5.

31.2. KARAKTERISTIK RADIASI X-RAY. SPECTRA SINAR X ATOM

Dengan meningkatkan tegangan pada tabung sinar-X, seseorang dapat melihat munculnya spektrum garis dengan latar belakang spektrum kontinu, yang sesuai dengan

rontgen karakteristik(Gbr. 31.6). Itu muncul karena fakta bahwa elektron yang dipercepat menembus jauh ke dalam atom dan melumpuhkan elektron dari lapisan dalam. Elektron dari tingkat atas pindah ke tempat bebas (Gbr. 31.7), akibatnya, foton radiasi karakteristik dipancarkan. Seperti dapat dilihat dari gambar, karakteristik radiasi sinar-X terdiri dari seri K, L, M dll., yang namanya digunakan untuk menunjuk lapisan elektronik. Karena emisi seri-K membebaskan ruang di lapisan yang lebih tinggi, garis-garis seri lainnya secara bersamaan dipancarkan.

Berbeda dengan spektrum optik, karakteristik spektrum sinar-x dari atom yang berbeda adalah dari jenis yang sama. pada gambar. 31.8 menunjukkan spektrum berbagai elemen. Keseragaman spektrum ini disebabkan oleh fakta bahwa lapisan dalam atom yang berbeda adalah sama dan hanya berbeda secara energi, karena efek gaya dari nukleus meningkat dengan peningkatan jumlah urut elemen. Keadaan ini mengarah pada fakta bahwa spektrum karakteristik bergeser ke arah frekuensi yang lebih tinggi dengan meningkatnya muatan inti. Pola ini terlihat dari Gambar. 31.8 dan dikenal sebagai Hukum Moseley:

di mana v- frekuensi garis spektral; Z- nomor atom unsur pemancar; TETAPI dan PADA- permanen.

Ada perbedaan lain antara spektrum optik dan sinar-x.

Spektrum sinar-X karakteristik suatu atom tidak tergantung pada senyawa kimia di mana atom ini termasuk. Jadi, misalnya, spektrum sinar-X atom oksigen sama untuk O, O 2 dan H 2 O, sedangkan spektrum optik senyawa ini berbeda secara signifikan. Fitur spektrum sinar-x atom ini adalah dasar untuk nama ciri.

Radiasi karakteristik selalu terjadi ketika ada ruang kosong di lapisan dalam atom, terlepas dari alasan yang menyebabkannya. Jadi, misalnya, radiasi karakteristik menyertai salah satu jenis peluruhan radioaktif (lihat 32.1), yang terdiri dari penangkapan elektron dari lapisan dalam oleh nukleus.

31.3. INTERAKSI RADIASI X-RAY DENGAN ZAT

Registrasi dan penggunaan radiasi sinar-X, serta dampaknya pada objek biologis, ditentukan oleh proses utama interaksi foton sinar-X dengan elektron atom dan molekul suatu zat.

Tergantung pada rasio energi hv foton dan energi ionisasi 1 A dan ada tiga proses utama.

Hamburan koheren (klasik)

Hamburan sinar-X dengan panjang gelombang panjang terjadi terutama tanpa perubahan panjang gelombang, dan disebut koheren. Ini terjadi jika energi foton lebih kecil dari energi ionisasi: hv< A dan.

Karena dalam hal ini energi foton sinar-X dan atom tidak berubah, hamburan koheren itu sendiri tidak menyebabkan efek biologis. Namun, ketika membuat perlindungan terhadap radiasi sinar-X, orang harus mempertimbangkan kemungkinan mengubah arah pancaran primer. Jenis interaksi ini penting untuk analisis difraksi sinar-X (lihat 24.7).

Hamburan tidak koheren (efek Compton)

Pada tahun 1922 A.Kh. Compton, mengamati hamburan sinar-X keras, menemukan penurunan daya tembus sinar yang tersebar dibandingkan dengan sinar datang. Ini berarti bahwa panjang gelombang sinar-X yang dihamburkan lebih besar dari pada sinar-X yang datang. Penghamburan sinar-X dengan perubahan panjang gelombang disebut kacau nym, dan fenomena itu sendiri - efek Compton. Ini terjadi jika energi foton sinar-X lebih besar dari energi ionisasi: hv > A dan.

Fenomena ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika berinteraksi dengan atom, energi hv foton dihabiskan untuk produksi foton sinar-X baru yang tersebar dengan energi hv", untuk melepaskan elektron dari atom (energi ionisasi A u) dan memberikan energi kinetik ke elektron ke:

hv \u003d hv " + A dan + E k.(31.6)

1 Di sini, energi ionisasi dipahami sebagai energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron internal dari atom atau molekul.

Karena dalam banyak kasus hv>> A dan dan efek Compton terjadi pada elektron bebas, maka kita dapat menulis kira-kira:

hv = hv"+ E K .(31.7)

Adalah penting bahwa dalam fenomena ini (Gbr. 31.9), bersama dengan radiasi sinar-X sekunder (energi hv" foton) elektron mundur muncul (energi kinetik E ke elektron). Atom atau molekul kemudian menjadi ion.

efek fotoelektrik

Dalam efek fotolistrik, radiasi sinar-X diserap oleh atom, akibatnya elektron terbang keluar, dan atom terionisasi (fotoionisasi).

Tiga proses interaksi utama yang dibahas di atas adalah primer, mereka mengarah ke sekunder berikutnya, tersier, dll. fenomena. Misalnya, atom terionisasi dapat memancarkan spektrum karakteristik, atom tereksitasi dapat menjadi sumber cahaya tampak (pendaran sinar-X), dll.

pada gambar. 31.10 adalah diagram proses yang mungkin terjadi ketika radiasi sinar-X memasuki suatu zat. Beberapa puluh proses serupa dengan yang ditunjukkan dapat terjadi sebelum energi foton sinar-X diubah menjadi energi gerakan termal molekul. Akibatnya, akan terjadi perubahan komposisi molekul zat tersebut.

Proses yang diwakili oleh diagram pada gambar. 31.10, mendasari fenomena yang diamati di bawah aksi sinar-X pada materi. Mari kita daftar beberapa dari mereka.

Pendaran sinar-X- pancaran sejumlah zat di bawah iradiasi sinar-x. Pancaran barium platinum-sianogen seperti itu memungkinkan Roentgen menemukan sinarnya. Fenomena ini digunakan untuk membuat layar bercahaya khusus untuk tujuan pengamatan visual sinar-x, terkadang untuk meningkatkan aksi sinar-x pada pelat fotografi.

Tindakan kimia radiasi sinar-X diketahui, misalnya, pembentukan hidrogen peroksida dalam air. Contoh praktis yang penting adalah efek pada pelat fotografi, yang memungkinkan untuk mendeteksi sinar tersebut.

Efek pengion dimanifestasikan dalam peningkatan konduktivitas listrik di bawah pengaruh sinar-X. Properti ini digunakan

dalam dosimetri untuk mengukur efek jenis radiasi ini.

Sebagai hasil dari banyak proses, berkas sinar-X primer melemah sesuai dengan hukum (29.3). Mari kita tulis dalam bentuk:

saya = I0 e-/", (31.8)

di mana - koefisien atenuasi linier. Itu dapat direpresentasikan sebagai terdiri dari tiga istilah yang sesuai dengan hamburan koheren , inkoheren dan efek foto f:

μ = k + hk + f. (31.9)

Intensitas radiasi sinar-X dilemahkan secara proporsional dengan jumlah atom zat yang dilalui aliran ini. Jika kita memampatkan materi di sepanjang sumbu x, misalnya dalam b kali dengan meningkatkan b kali densitasnya, maka

31.4. LANDASAN FISIK APLIKASI RADIASI SINAR X DALAM PENGOBATAN

Salah satu aplikasi medis yang paling penting dari sinar-X adalah transiluminasi organ dalam untuk tujuan diagnostik. (Diagnostik sinar-X).

Untuk diagnostik, foton dengan energi sekitar 60-120 keV digunakan. Pada energi ini, koefisien kepunahan massal terutama ditentukan oleh efek fotolistrik. Nilainya berbanding terbalik dengan pangkat tiga energi foton (sebanding dengan 3), yang memanifestasikan daya tembus radiasi keras yang besar, dan sebanding dengan pangkat tiga nomor atom zat penyerap:

Perbedaan signifikan dalam penyerapan radiasi sinar-x oleh jaringan yang berbeda memungkinkan Anda untuk melihat gambar organ internal tubuh manusia dalam proyeksi bayangan.

Diagnostik sinar-X digunakan dalam dua versi: fluoroskopi gambar dilihat pada layar luminescent sinar-X, radiografi - gambar diperbaiki pada film.

Jika organ yang diteliti dan jaringan sekitarnya melemahkan sinar-x kira-kira sama, maka agen kontras khusus digunakan. Jadi, misalnya, mengisi perut dan usus dengan massa barium sulfat yang lembek, orang dapat melihat bayangannya.

Kecerahan gambar di layar dan waktu pemaparan pada film tergantung pada intensitas sinar-x. Jika digunakan untuk diagnosis, maka intensitasnya tidak boleh tinggi, agar tidak menimbulkan akibat biologis yang tidak diinginkan. Oleh karena itu, ada sejumlah perangkat teknis yang meningkatkan citra pada intensitas sinar-X rendah. Contoh alat tersebut adalah tabung intensifier (lihat 27.8). Dalam pemeriksaan massal populasi, varian radiografi banyak digunakan - fluorografi, di mana gambar dari layar luminescent sinar-X besar direkam pada film format kecil yang sensitif. Saat memotret, lensa bukaan besar digunakan, gambar yang sudah jadi diperiksa pada kaca pembesar khusus.

Pilihan yang menarik dan menjanjikan untuk radiografi adalah metode yang disebut tomografi sinar-x, dan "versi mesin" - CT-scan.

Mari kita pertimbangkan pertanyaan ini.

Radiografi polos mencakup area tubuh yang luas, dengan berbagai organ dan jaringan yang saling menaungi. Anda dapat menghindari hal ini jika Anda secara berkala menggerakkan tabung sinar-X bersama-sama (Gbr. 31.11) dalam antifase RT dan film Fp relatif terhadap objek Tentang riset. Tubuh berisi sejumlah inklusi yang buram terhadap sinar-X; mereka ditunjukkan oleh lingkaran pada gambar. Seperti yang Anda lihat, sinar-x pada setiap posisi tabung sinar-x (1, 2 dll.) melewati

memotong titik yang sama dari objek, yang merupakan pusat, relatif terhadap mana gerakan periodik dilakukan RT dan Fp. Titik ini, lebih tepatnya inklusi buram kecil, ditunjukkan oleh lingkaran hitam. Bayangan bayangannya bergerak dengan fp, berturut-turut menduduki posisi 1, 2 dll. Inklusi yang tersisa di tubuh (tulang, segel, dll.) dibuat di Fp beberapa latar belakang umum, karena sinar-x tidak dikaburkan secara permanen olehnya. Dengan mengubah posisi pusat ayunan, dimungkinkan untuk mendapatkan gambar sinar-X lapis demi lapis dari tubuh. Maka nama - tomografi(rekaman berlapis).

Hal ini dimungkinkan, dengan menggunakan sinar X-ray tipis, untuk menyaring (bukan Fp), terdiri dari detektor semikonduktor dari radiasi pengion (lihat 32.5), dan komputer, untuk memproses gambar bayangan x-ray dalam tomografi. Versi modern dari tomografi (computed atau computed x-ray tomography) memungkinkan Anda untuk mendapatkan gambar berlapis tubuh pada layar tabung sinar katoda atau di atas kertas dengan rincian kurang dari 2 mm dengan perbedaan penyerapan sinar-x hingga 0,1%. Hal ini memungkinkan, misalnya, untuk membedakan antara materi abu-abu dan putih otak dan untuk melihat formasi tumor yang sangat kecil.

RADIASI SINAR X
radiasi tak kasat mata yang mampu menembus, meskipun dalam berbagai tingkat, semua zat. Ini adalah radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang sekitar 10-8 cm. Seperti cahaya tampak, sinar-X menyebabkan penghitaman film fotografi. Properti ini sangat penting untuk kedokteran, industri dan penelitian ilmiah. Melewati objek yang diteliti dan kemudian jatuh pada film, radiasi sinar-X menggambarkan struktur internalnya di atasnya. Karena daya tembus radiasi sinar-X berbeda untuk bahan yang berbeda, bagian objek yang kurang transparan memberikan area yang lebih terang dalam foto daripada bagian yang dilalui radiasi dengan baik. Dengan demikian, jaringan tulang kurang transparan terhadap sinar-x dibandingkan jaringan yang membentuk kulit dan organ dalam. Oleh karena itu, pada radiografi, tulang akan diindikasikan sebagai area yang lebih terang dan lokasi fraktur, yang lebih transparan untuk radiasi, dapat dengan mudah dideteksi. Pencitraan sinar-X juga digunakan dalam kedokteran gigi untuk mendeteksi karies dan abses pada akar gigi, serta dalam industri untuk mendeteksi retakan pada coran, plastik dan karet. Sinar-X digunakan dalam kimia untuk menganalisis senyawa dan dalam fisika untuk mempelajari struktur kristal. Sinar X-ray melewati senyawa kimia menyebabkan karakteristik radiasi sekunder, analisis spektroskopi yang memungkinkan ahli kimia untuk menentukan komposisi senyawa. Ketika jatuh pada zat kristal, berkas sinar-X dihamburkan oleh atom kristal, memberikan pola bintik dan garis yang jelas dan teratur pada pelat fotografi, yang memungkinkan pembentukan struktur internal kristal. Penggunaan sinar-X dalam pengobatan kanker didasarkan pada fakta bahwa ia membunuh sel-sel kanker. Namun, itu juga dapat memiliki efek yang tidak diinginkan pada sel normal. Oleh karena itu, harus sangat berhati-hati dalam menggunakan sinar-X ini. Radiasi sinar-X ditemukan oleh fisikawan Jerman W. Roentgen (1845-1923). Namanya diabadikan dalam beberapa istilah fisik lain yang terkait dengan radiasi ini: satuan internasional dosis radiasi pengion disebut roentgen; gambar yang diambil dengan mesin x-ray disebut radiografi; Bidang kedokteran radiologi yang menggunakan sinar-x untuk mendiagnosis dan mengobati penyakit disebut radiologi. Roentgen menemukan radiasi pada tahun 1895 saat menjadi profesor fisika di Universitas Würzburg. Saat melakukan percobaan dengan sinar katoda (elektron mengalir dalam tabung pelepasan), ia memperhatikan bahwa layar yang terletak di dekat tabung vakum, ditutupi dengan kristal barium cyanoplatinite, bersinar terang, meskipun tabung itu sendiri ditutupi dengan karton hitam. Roentgen lebih lanjut menetapkan bahwa daya tembus sinar yang tidak diketahui yang ia temukan, yang ia sebut sinar-X, bergantung pada komposisi bahan penyerap. Dia juga mencitrakan tulang tangannya sendiri dengan menempatkannya di antara tabung pelepasan sinar katoda dan layar yang dilapisi dengan barium cyanoplatinite. Penemuan Roentgen diikuti oleh eksperimen oleh peneliti lain yang menemukan banyak sifat dan kemungkinan baru untuk menggunakan radiasi ini. Sebuah kontribusi besar dibuat oleh M. Laue, W. Friedrich dan P. Knipping, yang pada tahun 1912 mendemonstrasikan difraksi sinar-X ketika melewati kristal; W. Coolidge, yang pada tahun 1913 menemukan tabung sinar-X vakum tinggi dengan katoda yang dipanaskan; G. Moseley, yang pada tahun 1913 menetapkan hubungan antara panjang gelombang radiasi dan nomor atom suatu unsur; G. dan L. Braggi, yang menerima Hadiah Nobel pada tahun 1915 untuk mengembangkan dasar-dasar analisis difraksi sinar-X.
MENDAPATKAN RADIASI X-RAY
Radiasi sinar-X terjadi ketika elektron yang bergerak dengan kecepatan tinggi berinteraksi dengan materi. Ketika elektron bertabrakan dengan atom zat apa pun, mereka dengan cepat kehilangan energi kinetiknya. Dalam hal ini, sebagian besar diubah menjadi panas, dan sebagian kecil, biasanya kurang dari 1%, diubah menjadi energi sinar-X. Energi ini dilepaskan dalam bentuk kuanta - partikel yang disebut foton yang memiliki energi tetapi memiliki massa diam nol. Foton sinar-X berbeda dalam energinya, yang berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya. Dengan metode konvensional untuk memperoleh sinar-x, diperoleh rentang panjang gelombang yang lebar, yang disebut spektrum sinar-x. Spektrum mengandung komponen yang diucapkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Sebuah "kontinum" yang luas disebut spektrum kontinu atau radiasi putih. Puncak tajam yang ditumpangkan di atasnya disebut garis emisi sinar-x karakteristik. Meskipun seluruh spektrum adalah hasil tumbukan elektron dengan materi, mekanisme munculnya bagian lebar dan garisnya berbeda. Suatu zat terdiri dari sejumlah besar atom, yang masing-masing memiliki nukleus yang dikelilingi oleh kulit elektron, dan setiap elektron dalam kulit atom unsur tertentu menempati tingkat energi diskrit tertentu. Biasanya kulit ini, atau tingkat energi, dilambangkan dengan simbol K, L, M, dll., dimulai dari kulit yang paling dekat dengan inti. Ketika sebuah elektron yang datang dengan energi yang cukup tinggi bertabrakan dengan salah satu elektron yang terikat pada atom, elektron tersebut terlempar keluar dari kulitnya. Ruang kosong ditempati oleh elektron lain dari kulit, yang sesuai dengan energi yang lebih tinggi. Yang terakhir ini mengeluarkan energi berlebih dengan memancarkan foton sinar-X. Karena elektron kulit memiliki nilai energi diskrit, foton sinar-X yang dihasilkan juga memiliki spektrum diskrit. Ini sesuai dengan puncak tajam untuk panjang gelombang tertentu, nilai spesifiknya tergantung pada elemen target. Garis-garis karakteristik membentuk deret K-, L- dan M, tergantung dari kulit mana (K, L atau M) elektron dilepaskan. Hubungan antara panjang gelombang sinar-X dan nomor atom disebut hukum Moseley (Gbr. 2).

Jika sebuah elektron bertabrakan dengan inti yang relatif berat, maka ia melambat, dan energi kinetiknya dilepaskan dalam bentuk foton sinar-X dengan energi yang kira-kira sama. Jika terbang melewati nukleus, ia hanya akan kehilangan sebagian energinya, dan sisanya akan ditransfer ke atom lain yang berada di jalurnya. Setiap tindakan kehilangan energi menyebabkan emisi foton dengan beberapa energi. Spektrum sinar-x kontinu muncul, batas atasnya sesuai dengan energi elektron tercepat. Ini adalah mekanisme untuk pembentukan spektrum kontinu, dan energi maksimum (atau panjang gelombang minimum) yang menetapkan batas spektrum kontinu sebanding dengan tegangan percepatan, yang menentukan kecepatan elektron yang datang. Garis spektral mencirikan bahan target yang dibombardir, sedangkan spektrum kontinu ditentukan oleh energi berkas elektron dan praktis tidak bergantung pada bahan target. Sinar-X dapat diperoleh tidak hanya dengan penembakan elektron, tetapi juga dengan menyinari target dengan sinar-X dari sumber lain. Namun, dalam kasus ini, sebagian besar energi sinar datang masuk ke spektrum sinar-X karakteristik, dan sebagian kecilnya masuk ke spektrum kontinu. Jelas, berkas sinar-X yang datang harus mengandung foton yang energinya cukup untuk membangkitkan garis karakteristik dari elemen yang dibombardir. Persentase energi yang tinggi per spektrum karakteristik membuat metode eksitasi sinar-X ini nyaman untuk penelitian ilmiah.
tabung sinar-X. Untuk memperoleh radiasi sinar-X akibat interaksi elektron dengan materi, diperlukan sumber elektron, sarana untuk mempercepatnya hingga kecepatan tinggi, dan target yang mampu menahan serangan elektron dan menghasilkan radiasi sinar-X. intensitas yang dibutuhkan. Perangkat yang memiliki semua ini disebut tabung sinar-x. Penjelajah awal menggunakan tabung "vakum dalam" seperti tabung pelepasan saat ini. Kekosongan di dalamnya tidak terlalu tinggi. Tabung pelepasan mengandung sejumlah kecil gas, dan ketika perbedaan potensial yang besar diterapkan pada elektroda tabung, atom gas berubah menjadi ion positif dan negatif. Yang positif bergerak menuju elektroda negatif (katoda) dan, jatuh di atasnya, menjatuhkan elektron darinya, dan mereka, pada gilirannya, bergerak menuju elektroda positif (anoda) dan, membombardirnya, menciptakan aliran foton sinar-X . Dalam tabung sinar-X modern yang dikembangkan oleh Coolidge (Gbr. 3), sumber elektron adalah katoda tungsten yang dipanaskan hingga suhu tinggi. Elektron dipercepat ke kecepatan tinggi oleh perbedaan potensial yang tinggi antara anoda (atau antikatoda) dan katoda. Karena elektron harus mencapai anoda tanpa bertabrakan dengan atom, diperlukan vakum yang sangat tinggi, untuk itu tabung harus dievakuasi dengan baik. Ini juga mengurangi kemungkinan ionisasi atom gas yang tersisa dan arus samping yang terkait.

Elektron difokuskan pada anoda oleh elektroda berbentuk khusus yang mengelilingi katoda. Elektroda ini disebut elektroda fokus dan bersama-sama dengan katoda membentuk "lampu sorot elektronik" tabung. Anoda yang dikenai penembakan elektron harus terbuat dari bahan tahan api, karena sebagian besar energi kinetik dari elektron yang ditembakkan diubah menjadi panas. Selain itu, anoda sebaiknya dibuat dari bahan dengan nomor atom tinggi, karena: hasil sinar-x meningkat dengan meningkatnya nomor atom. Tungsten, dengan nomor atom 74, paling sering dipilih sebagai bahan anoda.Desain tabung sinar-X dapat berbeda tergantung pada kondisi dan persyaratan aplikasi.
DETEKSI X-ray
Semua metode untuk mendeteksi sinar-X didasarkan pada interaksinya dengan materi. Detektor dapat terdiri dari dua jenis: yang memberikan gambar, dan yang tidak. Yang pertama termasuk perangkat fluorografi sinar-X dan fluoroskopi, di mana berkas sinar-X melewati objek yang diteliti, dan radiasi yang ditransmisikan memasuki layar luminescent atau film. Gambar muncul karena fakta bahwa berbagai bagian objek yang diteliti menyerap radiasi dengan cara yang berbeda - tergantung pada ketebalan zat dan komposisinya. Dalam detektor dengan layar luminescent, energi sinar-X diubah menjadi gambar yang dapat diamati secara langsung, sedangkan dalam radiografi direkam pada emulsi sensitif dan hanya dapat diamati setelah film dikembangkan. Jenis kedua detektor mencakup berbagai perangkat di mana energi sinar-X diubah menjadi sinyal listrik yang mencirikan intensitas relatif radiasi. Ini termasuk ruang ionisasi, pencacah Geiger, pencacah proporsional, pencacah kilau, dan beberapa detektor khusus berdasarkan kadmium sulfida dan selenida. Saat ini, penghitung kilau dapat dianggap sebagai detektor yang paling efisien, yang bekerja dengan baik dalam rentang energi yang luas.
Lihat juga DETEKTOR PARTIKEL. Detektor dipilih dengan mempertimbangkan kondisi masalah. Misalnya, jika perlu untuk mengukur secara akurat intensitas radiasi sinar-X yang terdifraksi, maka penghitung digunakan yang memungkinkan pengukuran dilakukan dengan akurasi pecahan persen. Jika perlu untuk mendaftarkan banyak sinar difraksi, maka disarankan untuk menggunakan film sinar-X, meskipun dalam hal ini tidak mungkin untuk menentukan intensitas dengan akurasi yang sama.
DEFEKTOSKOPI X-RAY DAN GAMMA
Salah satu aplikasi sinar-X yang paling umum dalam industri adalah kontrol kualitas material dan deteksi cacat. Metode sinar-x tidak merusak, sehingga bahan yang diuji, jika memenuhi persyaratan yang diperlukan, dapat digunakan untuk tujuan yang dimaksudkan. Deteksi cacat sinar-x dan gamma didasarkan pada daya tembus sinar-x dan karakteristik penyerapannya dalam bahan. Daya tembus ditentukan oleh energi foton sinar-X, yang bergantung pada tegangan percepatan dalam tabung sinar-X. Oleh karena itu, sampel yang tebal dan sampel dari logam berat, seperti emas dan uranium, memerlukan sumber sinar-X dengan tegangan yang lebih tinggi untuk penelitiannya, dan untuk sampel yang tipis, sumber dengan tegangan yang lebih rendah sudah cukup. Untuk deteksi cacat sinar gamma dari coran yang sangat besar dan produk canai besar, betatron dan akselerator linier digunakan, yang mempercepat partikel menjadi energi 25 MeV dan lebih banyak lagi. Penyerapan sinar-X dalam suatu bahan tergantung pada ketebalan penyerap d dan koefisien serapan m dan ditentukan oleh rumus I = I0e-md, di mana I adalah intensitas radiasi yang ditransmisikan melalui penyerap, I0 adalah intensitas radiasi insiden, dan e = 2,718 adalah basis logaritma natural. Untuk bahan tertentu, pada panjang gelombang (atau energi) sinar-X tertentu, koefisien absorpsi adalah konstan. Tetapi radiasi sumber sinar-X tidak monokromatik, tetapi mengandung berbagai panjang gelombang, akibatnya penyerapan pada ketebalan penyerap yang sama tergantung pada panjang gelombang (frekuensi) radiasi. Radiasi sinar-X banyak digunakan di semua industri yang terkait dengan pemrosesan logam dengan tekanan. Ini juga digunakan untuk menguji barel artileri, bahan makanan, plastik, untuk menguji perangkat dan sistem kompleks dalam teknik elektronik. (Neutronografi, yang menggunakan berkas neutron sebagai pengganti sinar-X, digunakan untuk tujuan serupa.) Sinar-X juga digunakan untuk tujuan lain, seperti memeriksa lukisan untuk menentukan keasliannya atau mendeteksi lapisan cat tambahan di atas lapisan utama .
DIfraksi sinar-X
Difraksi sinar-X memberikan informasi penting tentang padatan—struktur atom dan bentuk kristalnya—serta tentang cairan, benda amorf, dan molekul besar. Metode difraksi juga digunakan untuk penentuan jarak antar atom yang akurat (dengan kesalahan kurang dari 10-5), deteksi tegangan dan cacat, dan untuk menentukan orientasi kristal tunggal. Pola difraksi dapat mengidentifikasi bahan yang tidak diketahui, serta mendeteksi keberadaan pengotor dalam sampel dan menentukannya. Pentingnya metode difraksi sinar-X untuk kemajuan fisika modern hampir tidak dapat ditaksir terlalu tinggi, karena pemahaman modern tentang sifat-sifat materi pada akhirnya didasarkan pada data tentang susunan atom dalam berbagai senyawa kimia, pada sifat ikatan. antara mereka, dan pada cacat struktural. Alat utama untuk memperoleh informasi ini adalah metode difraksi sinar-X. Kristalografi difraksi sinar-X sangat penting untuk menentukan struktur molekul besar yang kompleks, seperti asam deoksiribonukleat (DNA), materi genetik organisme hidup. Segera setelah penemuan sinar-X, minat ilmiah dan medis terkonsentrasi baik pada kemampuan radiasi ini untuk menembus tubuh, dan pada sifatnya. Percobaan difraksi sinar-X pada celah dan kisi-kisi difraksi menunjukkan bahwa ia termasuk radiasi elektromagnetik dan memiliki panjang gelombang orde 10-8-10-9 cm. Bahkan sebelumnya, para ilmuwan, khususnya W. Barlow, menduga bahwa Bentuk kristal alam yang teratur dan simetris disebabkan oleh susunan atom yang teratur yang membentuk kristal. Dalam beberapa kasus, Barlow mampu memprediksi struktur kristal dengan benar. Nilai jarak antar atom yang diprediksi adalah 10-8 cm Fakta bahwa jarak antar atom ternyata urutan panjang gelombang sinar-X memungkinkan pada prinsipnya untuk mengamati difraksi mereka. Hasilnya adalah ide untuk salah satu eksperimen terpenting dalam sejarah fisika. M. Laue menyelenggarakan uji eksperimental ide ini, yang dilakukan oleh rekan-rekannya W. Friedrich dan P. Knipping. Pada tahun 1912, mereka bertiga mempublikasikan karyanya tentang hasil difraksi sinar-X. Prinsip difraksi sinar-X. Untuk memahami fenomena difraksi sinar-X, kita harus mempertimbangkan secara berurutan: pertama, spektrum sinar-X, kedua, sifat struktur kristal dan, ketiga, fenomena difraksi itu sendiri. Seperti disebutkan di atas, karakteristik radiasi sinar-X terdiri dari serangkaian garis spektrum monokromatisitas tingkat tinggi, yang ditentukan oleh bahan anoda. Dengan bantuan filter, Anda dapat memilih yang paling intens. Oleh karena itu, dengan memilih bahan anoda dengan cara yang tepat, dimungkinkan untuk mendapatkan sumber radiasi yang hampir monokromatik dengan nilai panjang gelombang yang ditentukan dengan sangat tepat. Panjang gelombang radiasi karakteristik biasanya berkisar dari 2,285 untuk kromium hingga 0,558 untuk perak (nilai untuk berbagai elemen diketahui hingga enam angka penting). Spektrum karakteristik ditumpangkan pada spektrum "putih" kontinu dengan intensitas yang jauh lebih rendah, karena perlambatan elektron yang datang di anoda. Dengan demikian, dua jenis radiasi dapat diperoleh dari setiap anoda: karakteristik dan bremsstrahlung, yang masing-masing memainkan peran penting dengan caranya sendiri. Atom dalam struktur kristal terletak secara berkala, membentuk urutan sel yang identik - kisi spasial. Beberapa kisi (misalnya, untuk sebagian besar logam biasa) cukup sederhana, sementara yang lain (misalnya, untuk molekul protein) cukup kompleks. Struktur kristal dicirikan sebagai berikut: jika seseorang bergeser dari beberapa titik tertentu dari satu sel ke titik yang sesuai dari sel tetangga, maka lingkungan atom yang persis sama akan ditemukan. Dan jika beberapa atom terletak pada satu atau lain titik dari satu sel, maka atom yang sama akan ditempatkan pada titik ekivalen dari setiap sel tetangga. Prinsip ini benar-benar berlaku untuk kristal yang sempurna dan tersusun secara ideal. Namun, banyak kristal (misalnya, larutan padat metalik) tidak teratur sampai batas tertentu; tempat yang setara secara kristalografis dapat ditempati oleh atom yang berbeda. Dalam kasus ini, bukan posisi setiap atom yang ditentukan, tetapi hanya posisi atom yang "dirata-ratakan secara statistik" pada sejumlah besar partikel (atau sel). Fenomena difraksi dibahas dalam artikel OPTICS dan pembaca dapat merujuk ke artikel ini sebelum melanjutkan. Ini menunjukkan bahwa jika gelombang (misalnya, suara, cahaya, sinar-X) melewati celah atau lubang kecil, maka celah atau lubang kecil dapat dianggap sebagai sumber gelombang sekunder, dan bayangan celah atau lubang itu terdiri dari cahaya bolak-balik. dan garis-garis gelap. Selanjutnya, jika terdapat struktur lubang atau celah secara periodik, maka sebagai akibat dari interferensi penguatan dan pelemahan sinar yang datang dari lubang yang berbeda, timbul pola difraksi yang jelas. Difraksi sinar-X adalah fenomena hamburan kolektif di mana peran lubang dan pusat hamburan dimainkan oleh atom-atom struktur kristal yang disusun secara berkala. Amplifikasi timbal balik dari gambar mereka pada sudut tertentu memberikan pola difraksi yang mirip dengan yang akan dihasilkan dari difraksi cahaya pada kisi difraksi tiga dimensi. Hamburan terjadi karena interaksi insiden radiasi sinar-X dengan elektron dalam kristal. Karena fakta bahwa panjang gelombang radiasi sinar-X memiliki urutan yang sama dengan dimensi atom, panjang gelombang radiasi sinar-X yang dihamburkan adalah sama dengan panjang gelombang datang. Proses ini adalah hasil osilasi paksa elektron di bawah aksi sinar-X yang datang. Pertimbangkan sekarang sebuah atom dengan awan elektron terikat (mengelilingi nukleus) di mana sinar-X datang. Elektron ke segala arah secara bersamaan menyebarkan insiden dan memancarkan radiasi sinar-X mereka sendiri dengan panjang gelombang yang sama, meskipun intensitasnya berbeda. Intensitas radiasi hambur berhubungan dengan nomor atom unsur, karena nomor atom sama dengan jumlah elektron orbital yang dapat ikut serta dalam penghamburan. (Ketergantungan intensitas pada nomor atom unsur penghambur dan arah pengukuran intensitas dicirikan oleh faktor penghamburan atom, yang memainkan peran yang sangat penting dalam analisis struktur kristal.) Mari kita pilih dalam struktur kristal rantai linier atom yang terletak pada jarak yang sama satu sama lain, dan pertimbangkan pola difraksinya. Telah dicatat bahwa spektrum sinar-X terdiri dari bagian kontinu ("kontinum") dan serangkaian karakteristik garis yang lebih intens dari elemen yang merupakan bahan anoda. Katakanlah kita menyaring spektrum kontinu dan mendapatkan berkas sinar-X yang hampir monokromatik yang diarahkan ke rantai atom linier kita. Kondisi amplifikasi (penguatan interferensi) terpenuhi jika perbedaan antara jalur gelombang yang dihamburkan oleh atom tetangga adalah kelipatan dari panjang gelombang. Jika sinar datang pada sudut a0 terhadap garis atom yang dipisahkan oleh interval a (periode), maka untuk sudut difraksi a perbedaan lintasan yang sesuai dengan penguatan akan ditulis sebagai a(cos a - cosa0) = hl, di mana l adalah panjang gelombang dan h adalah bilangan bulat (Gbr. 4 dan 5).

Untuk memperluas pendekatan ini ke kristal tiga dimensi, hanya perlu memilih deretan atom dalam dua arah lain dalam kristal dan menyelesaikan tiga persamaan yang diperoleh bersama untuk tiga sumbu kristal dengan periode a, b dan c. Dua persamaan lainnya adalah

Ini adalah tiga persamaan dasar Laue untuk difraksi sinar-X, dengan angka h, k dan c adalah indeks Miller untuk bidang difraksi.
Lihat juga KRISTAL DAN KRISTALLOGRAFI. Mempertimbangkan salah satu persamaan Laue, misalnya yang pertama, orang dapat melihat bahwa karena a, a0, l adalah konstanta, dan h = 0, 1, 2, ..., solusinya dapat direpresentasikan sebagai himpunan kerucut dengan sumbu umum a (Gbr. 5). Hal yang sama berlaku untuk arah b dan c. Dalam kasus umum hamburan tiga dimensi (difraksi), ketiga persamaan Laue harus memiliki solusi yang sama, yaitu. tiga kerucut difraksi yang terletak pada masing-masing sumbu harus berpotongan; garis perpotongan umum ditunjukkan pada gambar. 6. Solusi gabungan persamaan mengarah ke hukum Bragg-Wulf:

l = 2(d/n)sinq, dimana d adalah jarak antara bidang dengan indeks h, k dan c (periode), n = 1, 2, ... adalah bilangan bulat (orde difraksi), dan q adalah sudut dibentuk oleh sinar datang (serta difraksi) dengan bidang kristal di mana difraksi terjadi. Menganalisis persamaan hukum Bragg - Wolfe untuk kristal tunggal yang terletak di jalur berkas sinar-X monokromatik, kita dapat menyimpulkan bahwa difraksi tidak mudah diamati, karena l dan q tetap, dan sinq METODE ANALISIS DIFRAKSI
metode Lau. Metode Laue menggunakan spektrum sinar-X "putih" yang kontinu, yang diarahkan ke kristal tunggal yang stasioner. Untuk nilai tertentu dari periode d, panjang gelombang yang sesuai dengan kondisi Bragg-Wulf dipilih secara otomatis dari seluruh spektrum. Pola Laue yang diperoleh dengan cara ini memungkinkan untuk menilai arah berkas difraksi dan, akibatnya, orientasi bidang kristal, yang juga memungkinkan untuk menarik kesimpulan penting tentang simetri, orientasi kristal, dan keberadaan kristal. dari cacat di dalamnya. Namun, dalam kasus ini, informasi tentang periode spasial d hilang. pada gambar. 7 menunjukkan contoh Lauegram. Film sinar-X terletak di sisi kristal yang berlawanan dengan tempat berkas sinar-X datang dari sumbernya.

Metode Debye-Scherrer (untuk sampel polikristalin). Berbeda dengan metode sebelumnya, radiasi monokromatik (l = const) digunakan di sini, dan sudut q bervariasi. Hal ini dicapai dengan menggunakan sampel polikristalin yang terdiri dari banyak kristal kecil dengan orientasi acak, di antaranya ada yang memenuhi kondisi Bragg-Wulf. Berkas difraksi membentuk kerucut, yang sumbunya diarahkan sepanjang berkas sinar-X. Untuk pencitraan, strip sempit film sinar-X biasanya digunakan dalam kaset silinder, dan sinar-X disebarkan sepanjang diameter melalui lubang-lubang di film. Debyegram yang diperoleh dengan cara ini (Gbr. 8) berisi informasi yang tepat tentang periode d, yaitu. tentang struktur kristal, tetapi tidak memberikan informasi yang terkandung dalam Lauegram. Oleh karena itu, kedua metode tersebut saling melengkapi. Mari kita pertimbangkan beberapa aplikasi dari metode Debye-Scherrer.

Identifikasi unsur dan senyawa kimia. Dari sudut q yang ditentukan dari Debyegram, seseorang dapat menghitung karakteristik jarak antarplanar d dari unsur atau senyawa tertentu. Saat ini, banyak tabel nilai d telah disusun, yang memungkinkan untuk mengidentifikasi tidak hanya satu atau beberapa unsur atau senyawa kimia, tetapi juga berbagai keadaan fasa dari zat yang sama, yang tidak selalu memberikan analisis kimia. Hal ini juga memungkinkan untuk menentukan kandungan komponen kedua dalam paduan substitusi dengan akurasi tinggi dari ketergantungan periode d pada konsentrasi.
Analisis stres. Dari perbedaan terukur dalam jarak antar bidang untuk arah yang berbeda dalam kristal, mengetahui modulus elastisitas material, dimungkinkan untuk menghitung tegangan kecil di dalamnya dengan akurasi tinggi.
Studi orientasi preferensial dalam kristal. Jika kristalit kecil dalam sampel polikristalin tidak sepenuhnya berorientasi acak, maka cincin pada Debyegram akan memiliki intensitas yang berbeda. Dengan adanya orientasi pilihan yang jelas, intensitas maxima terkonsentrasi di masing-masing titik dalam gambar, yang menjadi serupa dengan gambar untuk kristal tunggal. Misalnya, selama penggulungan dingin yang dalam, lembaran logam memperoleh tekstur - orientasi kristalit yang jelas. Menurut debaygram, seseorang dapat menilai sifat pengerjaan dingin material tersebut.
Studi ukuran butir. Jika ukuran butir polikristal lebih dari 10-3 cm, maka garis-garis pada Debyegram akan terdiri dari bintik-bintik terpisah, karena dalam hal ini jumlah kristal tidak cukup untuk menutupi seluruh rentang nilai sudut. q. Jika ukuran kristal kurang dari 10-5 cm, maka garis difraksi menjadi lebih lebar. Lebarnya berbanding terbalik dengan ukuran kristal. Pelebaran terjadi untuk alasan yang sama bahwa pengurangan jumlah celah mengurangi resolusi kisi difraksi. Radiasi sinar-X memungkinkan untuk menentukan ukuran butir dalam kisaran 10-7-10-6 cm.
Metode untuk kristal tunggal. Agar difraksi oleh kristal memberikan informasi tidak hanya tentang periode spasial, tetapi juga tentang orientasi setiap set bidang difraksi, metode kristal tunggal yang berputar digunakan. Berkas sinar-X monokromatik datang pada kristal. Kristal berputar di sekitar sumbu utama, yang memenuhi persamaan Laue. Dalam hal ini, sudut q, yang termasuk dalam rumus Bragg-Wulf, berubah. Maksima difraksi terletak di persimpangan kerucut difraksi Laue dengan permukaan silinder film (Gbr. 9). Hasilnya adalah pola difraksi dari jenis yang ditunjukkan pada Gambar. 10. Namun, komplikasi mungkin terjadi karena tumpang tindih orde difraksi yang berbeda pada satu titik. Metode ini dapat ditingkatkan secara signifikan jika, bersamaan dengan rotasi kristal, film juga dipindahkan dengan cara tertentu.

Studi tentang cairan dan gas. Diketahui bahwa cairan, gas, dan benda amorf tidak memiliki struktur kristal yang benar. Tetapi di sini juga, ada ikatan kimia antara atom-atom dalam molekul, sehingga jarak di antara mereka tetap hampir konstan, meskipun molekul itu sendiri berorientasi secara acak dalam ruang. Bahan tersebut juga memberikan pola difraksi dengan jumlah maksimum yang dioleskan relatif kecil. Pemrosesan gambar seperti itu dengan metode modern memungkinkan untuk memperoleh informasi tentang struktur bahkan bahan non-kristal tersebut.
ANALISIS SINAR X SPEKTROKIMIA
Beberapa tahun setelah penemuan sinar-X, Ch. Barkla (1877-1944) menemukan bahwa ketika fluks sinar-X berenergi tinggi bekerja pada suatu zat, radiasi sinar-X fluoresen sekunder dihasilkan, yang merupakan karakteristik elemen sedang dipelajari. Tak lama kemudian, G. Moseley, dalam serangkaian eksperimennya, mengukur panjang gelombang dari radiasi sinar-X karakteristik utama yang diperoleh dengan pemboman elektron dari berbagai elemen, dan menyimpulkan hubungan antara panjang gelombang dan nomor atom. Eksperimen ini, dan penemuan Bragg tentang spektrometer sinar-X, meletakkan dasar untuk analisis sinar-X spektrokimia. Kemungkinan sinar-X untuk analisis kimia segera dikenali. Spektrograf dibuat dengan registrasi pada pelat fotografi, di mana sampel yang diteliti berfungsi sebagai anoda tabung sinar-X. Sayangnya, teknik ini ternyata sangat melelahkan, dan karena itu hanya digunakan ketika metode analisis kimia yang biasa tidak dapat diterapkan. Sebuah contoh luar biasa dari penelitian inovatif di bidang spektroskopi sinar-X analitis adalah penemuan pada tahun 1923 oleh G. Hevesy dan D. Coster dari elemen baru, hafnium. Pengembangan tabung sinar-X berdaya tinggi untuk radiografi dan detektor sensitif untuk pengukuran radiokimia selama Perang Dunia II sebagian besar berkontribusi pada pertumbuhan pesat spektrografi sinar-X di tahun-tahun berikutnya. Metode ini telah tersebar luas karena kecepatan, kemudahan, sifat analisis yang tidak merusak, dan kemungkinan otomatisasi penuh atau sebagian. Ini berlaku dalam masalah analisis kuantitatif dan kualitatif semua elemen dengan nomor atom lebih besar dari 11 (natrium). Dan meskipun analisis spektrokimia sinar-X biasanya digunakan untuk menentukan komponen kritis dalam sampel (dari 0,1-100%), dalam beberapa kasus cocok untuk konsentrasi 0,005% dan bahkan lebih rendah.
Spektrometer sinar-X. Spektrometer sinar-X modern terdiri dari tiga sistem utama (Gbr. 11): sistem eksitasi, mis. tabung sinar-x dengan anoda yang terbuat dari tungsten atau bahan tahan api lainnya dan catu daya; sistem analisis, yaitu kristal penganalisis dengan dua kolimator multi-celah, serta spektrogoniometer untuk penyesuaian halus; dan sistem registrasi dengan Geiger atau penghitung proporsional atau kilau, serta penyearah, penguat, penghitung dan perekam grafik atau alat perekam lainnya.

Analisis fluoresen sinar-X. Sampel yang dianalisis terletak di jalur sinar-x yang menarik. Daerah sampel yang akan diperiksa biasanya diisolasi oleh suatu topeng dengan lubang dengan diameter yang diinginkan, dan radiasi melewati kolimator yang membentuk sinar paralel. Di belakang kristal penganalisis, kolimator celah memancarkan radiasi terdifraksi untuk detektor. Biasanya, sudut maksimum q dibatasi hingga 80–85°, sehingga hanya sinar-X yang panjang gelombangnya l terkait dengan jarak antarplanar d oleh pertidaksamaan l yang dapat difraksi pada kristal penganalisis. mikroanalisis sinar-X. Spektrometer kristal penganalisis datar yang dijelaskan di atas dapat disesuaikan untuk analisis mikro. Ini dicapai dengan menyempitkan berkas sinar-X primer atau berkas sekunder yang dipancarkan oleh sampel. Namun, penurunan ukuran efektif sampel atau bukaan radiasi menyebabkan penurunan intensitas radiasi terdifraksi yang direkam. Peningkatan metode ini dapat dicapai dengan menggunakan spektrometer kristal melengkung, yang memungkinkan untuk mendaftarkan kerucut radiasi divergen, dan tidak hanya radiasi sejajar dengan sumbu kolimator. Dengan spektrometer seperti itu, partikel yang lebih kecil dari 25 m dapat diidentifikasi. Pengurangan yang lebih besar dalam ukuran sampel yang dianalisis dicapai dalam mikroanalisis probe elektron sinar-X yang ditemukan oleh R. Kasten. Di sini, karakteristik emisi sinar-X sampel dirangsang oleh berkas elektron yang sangat terfokus, yang kemudian dianalisis dengan spektrometer kristal bengkok. Dengan menggunakan perangkat semacam itu, dimungkinkan untuk mendeteksi jumlah zat dengan orde 10–14 g dalam sampel dengan diameter 1 m. Instalasi dengan pemindaian berkas elektron sampel juga telah dikembangkan, dengan bantuan yang memungkinkan untuk memperoleh pola distribusi dua dimensi di atas sampel elemen yang karakteristik radiasinya disetel ke spektrometer.
DIAGNOSIS X-ray MEDIS
Perkembangan teknologi sinar-x telah secara signifikan mengurangi waktu pemaparan dan meningkatkan kualitas gambar, bahkan memungkinkan jaringan lunak untuk dipelajari.
Fluorografi. Metode diagnostik ini terdiri dari memotret gambar bayangan dari layar tembus pandang. Pasien ditempatkan di antara sumber sinar-X dan layar datar fosfor (biasanya cesium iodida), yang bersinar saat terkena sinar-X. Jaringan biologis dengan berbagai tingkat kepadatan menciptakan bayangan radiasi sinar-x dengan berbagai tingkat intensitas. Seorang ahli radiologi memeriksa gambar bayangan pada layar fluorescent dan membuat diagnosis. Di masa lalu, ahli radiologi mengandalkan penglihatan untuk menganalisis gambar. Sekarang ada berbagai sistem yang memperkuat gambar, menampilkannya di layar televisi atau merekam data di memori komputer.
Radiografi. Rekaman gambar sinar-x langsung pada film fotografi disebut radiografi. Dalam hal ini, organ yang diteliti terletak di antara sumber sinar-X dan film, yang menangkap informasi tentang keadaan organ pada waktu tertentu. Radiografi berulang memungkinkan untuk menilai evolusi lebih lanjut. Radiografi memungkinkan Anda untuk memeriksa dengan sangat akurat integritas jaringan tulang, yang sebagian besar terdiri dari kalsium dan tidak tembus cahaya terhadap sinar-x, serta ruptur jaringan otot. Dengan bantuannya, lebih baik daripada stetoskop atau mendengarkan, kondisi paru-paru dianalisis jika terjadi peradangan, tuberkulosis, atau adanya cairan. Dengan bantuan radiografi, ukuran dan bentuk jantung, serta dinamika perubahannya pada pasien yang menderita penyakit jantung, ditentukan.
agen kontras. Bagian tubuh dan rongga organ individu yang transparan terhadap radiasi sinar-X menjadi terlihat jika diisi dengan zat kontras yang tidak berbahaya bagi tubuh, tetapi memungkinkan seseorang untuk memvisualisasikan bentuk organ dalam dan memeriksa fungsinya. Pasien dapat menggunakan agen kontras secara oral (seperti garam barium untuk pemeriksaan saluran cerna), atau diberikan secara intravena (seperti larutan yang mengandung yodium dalam pemeriksaan ginjal dan saluran kemih). Namun, dalam beberapa tahun terakhir, metode ini telah digantikan oleh metode diagnostik berdasarkan penggunaan atom radioaktif dan ultrasound.
CT-scan. Pada 1970-an, metode baru diagnostik sinar-X dikembangkan, berdasarkan foto lengkap tubuh atau bagian-bagiannya. Gambar lapisan tipis ("irisan") diproses oleh komputer, dan gambar akhir ditampilkan di layar monitor. Metode ini disebut computed x-ray tomography. Ini banyak digunakan dalam pengobatan modern untuk mendiagnosis infiltrat, tumor dan gangguan otak lainnya, serta untuk mendiagnosis penyakit jaringan lunak di dalam tubuh. Teknik ini tidak memerlukan pengenalan agen kontras asing dan karena itu lebih cepat dan lebih efektif daripada teknik tradisional.
AKSI BIOLOGIS RADIASI X-RAY
Efek biologis berbahaya dari radiasi sinar-X ditemukan tak lama setelah penemuannya oleh Roentgen. Ternyata radiasi baru dapat menyebabkan sesuatu seperti sengatan matahari yang parah (eritema), namun disertai dengan kerusakan kulit yang lebih dalam dan lebih permanen. Bisul yang muncul seringkali berubah menjadi kanker. Dalam banyak kasus, jari atau tangan harus diamputasi. Ada juga kematian. Telah ditemukan bahwa lesi kulit dapat dihindari dengan mengurangi waktu dan dosis paparan, menggunakan pelindung (misalnya timah) dan kendali jarak jauh. Tetapi secara bertahap, efek jangka panjang lainnya dari paparan sinar-X terungkap, yang kemudian dikonfirmasi dan dipelajari pada hewan percobaan. Efek akibat aksi sinar-X, serta radiasi pengion lainnya (seperti radiasi gamma yang dipancarkan oleh bahan radioaktif) meliputi: 1) perubahan sementara dalam komposisi darah setelah paparan berlebih yang relatif kecil; 2) perubahan ireversibel dalam komposisi darah (anemia hemolitik) setelah paparan berlebihan yang berkepanjangan; 3) peningkatan kejadian kanker (termasuk leukemia); 4) penuaan dini dan kematian dini; 5) terjadinya katarak. Selain itu, percobaan biologis pada tikus, kelinci dan lalat (Drosophila) telah menunjukkan bahwa dosis kecil dari penyinaran sistematis pada populasi besar, karena peningkatan laju mutasi, menyebabkan efek genetik yang berbahaya. Kebanyakan ahli genetika mengakui penerapan data ini pada tubuh manusia. Adapun efek biologis radiasi sinar-X pada tubuh manusia ditentukan oleh tingkat dosis radiasi, serta organ tubuh mana yang terkena radiasi. Misalnya, penyakit darah disebabkan oleh iradiasi organ hematopoietik, terutama sumsum tulang, dan konsekuensi genetik - oleh iradiasi organ genital, yang juga dapat menyebabkan kemandulan. Akumulasi pengetahuan tentang efek radiasi sinar-X pada tubuh manusia telah menyebabkan pengembangan standar nasional dan internasional untuk dosis radiasi yang diizinkan, yang diterbitkan dalam berbagai publikasi referensi. Selain sinar-X yang sengaja digunakan oleh manusia, ada juga yang disebut radiasi samping hamburan yang terjadi karena berbagai sebab, misalnya karena hamburan akibat ketidaksempurnaan layar pelindung timbal, yang tidak sepenuhnya menyerap radiasi ini. Selain itu, banyak perangkat listrik yang tidak dirancang untuk menghasilkan sinar-X namun menghasilkan sinar-X sebagai produk sampingan. Perangkat semacam itu termasuk mikroskop elektron, lampu penyearah tegangan tinggi (kenotron), serta kineskop televisi berwarna yang sudah ketinggalan zaman. Produksi kineskop warna modern di banyak negara sekarang berada di bawah kendali pemerintah.
FAKTOR BERBAHAYA RADIASI X-RAY
Jenis dan tingkat bahaya paparan sinar-X bagi orang-orang tergantung pada kontingen orang yang terpapar radiasi.
Profesional yang bekerja dengan peralatan x-ray. Kategori ini mencakup ahli radiologi, dokter gigi, serta pekerja ilmiah dan teknis serta personel yang memelihara dan menggunakan peralatan sinar-x. Langkah-langkah efektif sedang diambil untuk mengurangi tingkat radiasi yang harus mereka tangani.
Pasien. Tidak ada kriteria ketat di sini, dan tingkat radiasi yang aman yang diterima pasien selama perawatan ditentukan oleh dokter yang merawat. Dokter disarankan untuk tidak mengekspos pasien dengan sinar-x secara tidak perlu. Perhatian khusus harus dilakukan ketika memeriksa wanita hamil dan anak-anak. Dalam hal ini, tindakan khusus diambil.
Metode kontrol. Ada tiga aspek dalam hal ini:
1) ketersediaan peralatan yang memadai, 2) penegakan peraturan keselamatan, 3) penggunaan peralatan yang tepat. Dalam pemeriksaan rontgen, hanya daerah yang diinginkan saja yang terkena radiasi, baik itu pemeriksaan gigi maupun pemeriksaan paru-paru. Perhatikan bahwa segera setelah mematikan peralatan sinar-X, radiasi primer dan sekunder menghilang; juga tidak ada radiasi sisa, yang tidak selalu diketahui bahkan oleh mereka yang berhubungan langsung dengannya dalam pekerjaan mereka.
Lihat juga
STRUKTUR ATOM;

Sifat sinar-X

Sinar-X Bremsstrahlung, sifat spektralnya.

Radiasi sinar-x karakteristik (untuk ditinjau).

Interaksi radiasi sinar-X dengan materi.

Dasar fisik untuk penggunaan sinar-X dalam pengobatan.

Sinar-X (sinar-X) ditemukan oleh K. Roentgen, yang pada tahun 1895 menjadi peraih Nobel pertama dalam bidang fisika.

1. Sifat sinar-X

radiasi sinar-x - gelombang elektromagnetik dengan panjang 80 sampai 10 -5 nm. Radiasi sinar-X gelombang panjang ditutupi oleh radiasi UV gelombang pendek, gelombang pendek - oleh radiasi gelombang panjang.

Sinar-X diproduksi dalam tabung sinar-x. gambar 1.

K - katoda

1 - berkas elektron

2 - radiasi sinar-X

Beras. 1. Perangkat tabung sinar-X.

Tabungnya adalah labu kaca (dengan kemungkinan vakum tinggi: tekanan di dalamnya sekitar 10–6 mm Hg) dengan dua elektroda: anoda A dan katoda K, di mana tegangan tinggi U (beberapa ribu volt) diterapkan. Katoda adalah sumber elektron (karena fenomena emisi termionik). Anoda adalah batang logam yang memiliki permukaan miring untuk mengarahkan radiasi sinar-X yang dihasilkan membentuk sudut terhadap sumbu tabung. Itu terbuat dari bahan penghantar panas yang tinggi untuk menghilangkan panas yang dihasilkan selama pemboman elektron. Di ujung miring ada pelat yang terbuat dari logam tahan api (misalnya, tungsten).

Pemanasan anoda yang kuat disebabkan oleh fakta bahwa jumlah utama elektron dalam berkas katoda, setelah menabrak anoda, mengalami banyak tumbukan dengan atom-atom zat dan mentransfer sejumlah besar energi kepada mereka.

Di bawah aksi tegangan tinggi, elektron yang dipancarkan oleh filamen katoda panas dipercepat ke energi tinggi. Energi kinetik elektron sama dengan mv 2 /2. Ini sama dengan energi yang diperolehnya dengan bergerak dalam medan elektrostatik tabung:

mv 2 /2 = eU(1)

di mana m, e adalah massa dan muatan elektron, U adalah tegangan percepatan.

Proses yang menyebabkan munculnya sinar-X bremsstrahlung disebabkan oleh perlambatan intens elektron dalam bahan anoda oleh medan elektrostatik inti atom dan elektron atom.

Mekanisme asal dapat direpresentasikan sebagai berikut. Elektron yang bergerak adalah semacam arus yang membentuk medan magnetnya sendiri. Perlambatan elektron adalah penurunan kekuatan arus dan, karenanya, perubahan induksi medan magnet, yang akan menyebabkan munculnya medan listrik bolak-balik, mis. munculnya gelombang elektromagnetik.

Jadi, ketika partikel bermuatan terbang ke dalam materi, ia melambat, kehilangan energi dan kecepatannya, dan memancarkan gelombang elektromagnetik.

1. Sifat spektral sinar-X bremsstrahlung.

Jadi, dalam kasus perlambatan elektron dalam bahan anoda, radiasi bremsstrahlung.

Spektrum bremsstrahlung terus menerus. Alasan untuk ini adalah sebagai berikut.

Ketika elektron melambat, masing-masing memiliki bagian dari energi yang digunakan untuk memanaskan anoda (E 1 \u003d Q), bagian lain untuk membuat foton sinar-X (E 2 \u003d hv), jika tidak, eU \u003d hv + Q. Perbandingan antara bagian-bagian ini adalah acak.

Dengan demikian, spektrum kontinu bremsstrahlung sinar-X terbentuk karena perlambatan banyak elektron, yang masing-masing memancarkan satu kuantum sinar-X hv (h) dengan nilai yang ditentukan secara ketat. Nilai kuantum ini berbeda untuk elektron yang berbeda. Ketergantungan fluks energi sinar-X pada panjang gelombang , mis. spektrum sinar-X ditunjukkan pada Gambar.2.

Gbr.2. Spektrum Bremsstrahlung: a) pada tegangan U yang berbeda di dalam tabung; b) pada suhu T yang berbeda dari katoda.

Radiasi gelombang pendek (keras) memiliki daya tembus yang lebih besar daripada radiasi gelombang panjang (lunak). Radiasi lunak lebih kuat diserap oleh materi.

Dari sisi panjang gelombang pendek, spektrum berakhir tiba-tiba pada panjang gelombang tertentu m i n . Bremsstrahlung dengan panjang gelombang pendek tersebut terjadi ketika energi yang diperoleh elektron dalam medan percepatan diubah seluruhnya menjadi energi foton (Q = 0):

eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)

menit (nm) = 1,23/UkV

Komposisi spektral radiasi tergantung pada tegangan pada tabung sinar-X, dengan meningkatnya tegangan, nilai m i n bergeser ke arah panjang gelombang pendek (Gbr. 2a).

Ketika suhu T pijar katoda berubah, emisi elektron meningkat. Akibatnya, arus I dalam tabung meningkat, tetapi komposisi spektral radiasi tidak berubah (Gbr. 2b).

Fluks energi bremsstrahlung berbanding lurus dengan kuadrat tegangan U antara anoda dan katoda, kuat arus I dalam tabung dan nomor atom Z zat anoda:

= kZU 2 I. (3)

di mana k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).

Penemuan dan manfaat dalam mempelajari sifat-sifat dasar sinar-X adalah milik ilmuwan Jerman Wilhelm Conrad Roentgen. Sifat luar biasa dari sinar-X yang ditemukan olehnya segera mendapat tanggapan besar di dunia ilmiah. Meskipun pada saat itu, pada tahun 1895, para ilmuwan hampir tidak dapat membayangkan apa manfaat, dan kadang-kadang bahaya, yang dapat ditimbulkan oleh sinar-X.

Mari kita cari tahu di artikel ini bagaimana jenis radiasi ini mempengaruhi kesehatan manusia.

Apa itu radiasi sinar-x?

Pertanyaan pertama yang menarik perhatian peneliti adalah apa itu radiasi sinar-X? Sejumlah percobaan memungkinkan untuk memverifikasi bahwa ini adalah radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang 10 -8 cm, yang menempati posisi menengah antara radiasi ultraviolet dan gamma.

Aplikasi sinar-X

Semua aspek efek destruktif dari sinar-X misterius ini sama sekali tidak mengecualikan aspek penerapannya yang sangat luas. Di mana sinar-X digunakan?

1. Mempelajari struktur molekul dan kristal.
2. Deteksi cacat sinar-X (dalam industri, deteksi cacat pada produk).
3. Metode penelitian dan terapi medis.

Aplikasi sinar-X yang paling penting menjadi mungkin karena panjang gelombang yang sangat pendek dari seluruh rentang gelombang ini dan sifat uniknya.

Karena kami tertarik pada dampak radiasi sinar-X pada orang-orang yang menemukannya hanya selama pemeriksaan medis atau perawatan, maka kami hanya akan mempertimbangkan bidang penerapan sinar-X ini.

Penggunaan sinar-x dalam pengobatan

Terlepas dari signifikansi khusus dari penemuannya, Roentgen tidak mengeluarkan paten untuk penggunaannya, menjadikannya hadiah yang tak ternilai bagi seluruh umat manusia. Sudah dalam Perang Dunia Pertama, unit sinar-X mulai digunakan, yang memungkinkan untuk mendiagnosis yang terluka dengan cepat dan akurat. Sekarang kita dapat membedakan dua bidang utama penerapan sinar-x dalam kedokteran:

• diagnostik sinar-X;
• terapi sinar-x.

Diagnostik sinar-X

Diagnostik sinar-X digunakan dalam berbagai pilihan:

Mari kita lihat perbedaan antara metode ini.

Semua metode diagnostik ini didasarkan pada kemampuan sinar-x untuk menerangi film dan pada permeabilitasnya yang berbeda terhadap jaringan dan kerangka tulang.

terapi sinar-X

Kemampuan sinar-X untuk memiliki efek biologis pada jaringan digunakan dalam pengobatan untuk pengobatan tumor. Efek pengion dari radiasi ini paling aktif dimanifestasikan dalam efek pada sel-sel yang membelah dengan cepat, yang merupakan sel-sel tumor ganas.

Namun, Anda juga harus mewaspadai efek samping yang mau tidak mau menyertai radioterapi. Faktanya adalah bahwa sel-sel sistem hematopoietik, endokrin, dan kekebalan juga membelah dengan cepat. Dampak negatif pada mereka menimbulkan tanda-tanda penyakit radiasi.

Efek radiasi sinar-X pada manusia

Tak lama setelah penemuan sinar-X yang luar biasa, ditemukan bahwa sinar-X memiliki efek pada manusia.

Data ini diperoleh dalam percobaan pada hewan percobaan, namun ahli genetika menyarankan bahwa efek serupa mungkin berlaku untuk tubuh manusia.

Studi tentang efek paparan sinar-X telah mengarah pada pengembangan standar internasional untuk dosis radiasi yang dapat diterima.

Dosis radiasi sinar-x dalam diagnostik sinar-x

Setelah mengunjungi ruang sinar-X, banyak pasien khawatir - bagaimana dosis radiasi yang diterima akan mempengaruhi kesehatan mereka?

Dosis penyinaran umum tubuh tergantung pada sifat prosedur. Untuk kenyamanan, kami akan membandingkan dosis yang diterima dengan paparan alami, yang menyertai seseorang sepanjang hidupnya.

1. X-ray: dada - dosis radiasi yang diterima setara dengan 10 hari paparan latar belakang; perut bagian atas dan usus kecil - 3 tahun.
2. Computed tomography rongga perut dan panggul, serta seluruh tubuh - 3 tahun.
3. Mamografi - 3 bulan.
4. Radiografi ekstremitas praktis tidak berbahaya.
5. Berkenaan dengan rontgen gigi, dosis radiasinya minimal, karena pasien terpapar sinar x-ray yang sempit dengan durasi radiasi yang pendek.

Dosis radiasi ini memenuhi standar yang dapat diterima, tetapi jika pasien merasa cemas sebelum rontgen, ia berhak meminta celemek pelindung khusus.

Paparan sinar-X pada wanita hamil

Setiap orang harus menjalani pemeriksaan rontgen berulang kali. Tetapi ada aturan - metode diagnostik ini tidak dapat diresepkan untuk wanita hamil. Embrio yang sedang berkembang sangat rentan. Sinar-X dapat menyebabkan kelainan kromosom dan, sebagai akibatnya, kelahiran anak-anak dengan malformasi. Yang paling rentan dalam hal ini adalah usia kehamilan hingga 16 minggu. Selain itu, yang paling berbahaya bagi bayi masa depan adalah rontgen tulang belakang, daerah panggul dan perut.

Mengetahui tentang efek merugikan dari sinar-x pada kehamilan, dokter menghindari menggunakannya dengan segala cara yang mungkin selama periode penting dalam kehidupan seorang wanita.

Namun, ada sumber samping sinar-X:

• mikroskop elektron;
• kineskop TV berwarna, dll.

Ibu hamil harus mewaspadai bahaya yang ditimbulkan oleh mereka.

Bagi ibu menyusui, radiodiagnosis tidak berbahaya.

Apa yang harus dilakukan setelah x-ray?

Untuk menghindari efek minimal dari paparan sinar-X, beberapa langkah sederhana dapat diambil:

• setelah x-ray, minum segelas susu - ini menghilangkan radiasi dosis kecil;
• sangat berguna mengambil segelas anggur kering atau jus anggur;
• beberapa waktu setelah prosedur, akan berguna untuk meningkatkan proporsi makanan dengan kandungan yodium tinggi (makanan laut).

Tapi, tidak ada prosedur medis atau tindakan khusus yang diperlukan untuk menghilangkan radiasi setelah x-ray!

Terlepas dari konsekuensi serius yang tidak diragukan dari paparan sinar-X, seseorang tidak boleh melebih-lebihkan bahayanya selama pemeriksaan medis - mereka dilakukan hanya di area tubuh tertentu dan sangat cepat. Manfaatnya berkali-kali melebihi risiko prosedur ini bagi tubuh manusia.