Фізична природа рентгенівського випромінювання та його властивості

Рентгенівське випромінювання, яке виникає тоді, коли під впливом енергії, що надходить ззовні всередину атома, вибивається електрон із внутрішньої орбіти, а його місце займає електрон із зовнішньої орбіти, який має вищий енергетичний рівень, називається характеристичним. При цьому різниця енергій двох рівнів елек­тронів дає випромінювання, частота якого у багато разів більша, а довжина хвилі відповідно менша, ніж під час переміщення електронів у зовнішніх шарах, і залежить від атомної маси матеріалу анода. Рентгенівське випромінювання з великою довжи­ною хвилі має незначну проникну здатність і тому в медичних дослідженнях поки що не використовується.

В рентгенодіагностиці та променевій терапії гальмівне (рентгенівське) випромі­нювання виникає тоді, коли електрони, які утворюються на розжареній спіралі катода рентгенівської трубки під дією високої напруги прискорюються до значної швидкості (понад 200 000 км/с), переміщуються в напрямку анода і, стикаючись з його поверх­нею, гальмуються в електричному полі ядер важких атомів. Ця зміна швидкості руху , електронів спричиняє виникнення електромагнітних імпульсів, які поширюються у вигляді короткохвильового рентгенівського випромінювання.

Кванти рентгенівського випромінювання мають велику енергію і поширюються прямолінійно зі швидкістю світла. Властивості:

- Велика проникна здатність.

- Поглинальна і розсіювальна здатність.

- Поляризація.

- Здатність викликати світіння деяких речовин (люмінофорів), що використо­вується під час рентгеноскопії.

- Фотохімічна дія, що виявляється у засвічуванні фотографічного матеріалу і вико­ристовується для виготовлення рентгенівських знімків.

- Іонізуюча дія, яка полягає в тому, що під час проходження крізь середовище випромінювання розщеплює його нейтральні атоми і молекули на позитивні та негативні іони.

- Біологічна дія — здатність викликати зміни в живих організмах, що використо­вується в променевій терапії.

Проникна здатність рентгенівського випромінювання залежить від довжини хвилі та енергії його квантів. Довжина рентгенівського випромінювання коливається від 2 до 0,006 нм. Залежно від енергії рентгенівське випромінювання на практиці називають жорстким і м'яким. Чим менша довжина хвилі, тим жорсткіше випроміню­вання, тим більша його проникна здатність і навпаки.

Під час проходження через різні середовища відбувається поглинання і розсіюван­ня рентгенівського випромінювання. Поглинання відбувається тоді, коли рент­генівський квант, відриваючи електрон від атома речовини, повністю передає йому свою енергію (електрон, що звільнився зі сфери притягання атома, називається фото­електроном, а саме явище - фотоефектом), іонізує середовище. Місце вибитого елек­трона займає електрон із більш віддаленої від ядра атома орбіти. Це перегрупування електронів атома може супроводжуватись утворенням вторинного характеристичного рентгенівського, ультрафіолетового, видимого або інфрачервоного випромінювання.

Розсіювання рентгенівського випромінювання відбувається внаслідок зіткнення з атомами речовини і відхилення від напрямку основного пучка. Коли випроміню­вання м'яке (кванти несуть малу енергію), відбувається пружний удар, під час якого квант м'якого рентгенівського випромінювання стикається з електроном внутрішньої орбіти атома, а енергія його недостатня, щоб підняти цей електрон на поверхню ато­ма, тому рентгенівське випромінювання також тільки відхиляється вбік, не змінюючи довжини хвилі. В обох випадках відбувається класичне розсіювання.

Якщо м'яке рентгенівське випромінювання стикається з вільним електроном або еле­ктроном зовнішньої орбіти атома речовини, то відбувається непружний удар, внаслідок якого квант випромінювання передає частину своєї енергії електрону (електрон віддачі), а сам у вигляді кванта розсіювання перетворюється у випромінювання з більшою довжиною хвилі та відхиляється вбік від початкового напрямку руху. Те саме відбувається і тоді, коли квант із більшою енергією (жорстке випромінювання) стикається з електроном на внутрішній орбіті атома. При цьому виникає явище Комптона (розсіяне випромінювання з іншою довжиною хвилі та кількістю елек- тронів), яке відбувається лише тоді, коли енергія кванта приблизно в 10 000 разів перевищує енергію зв'язку електрона в атомі. Електрони віддачі, відриваючись від цього атома, викликають збудження та іонізацію інших атомів і молекул середовища. Сам рентгенівський квант втрачає частину енергії, передану електрону, і, відповідно, збільшується довжина хвилі. Під час взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною одна частина енергії витрачається у вигляді випромінювання (енергія розсіювання), а друга передається електронам середовища - поглинається (енергія поглинання). Кінетична енергія електронів під час взаємодії з атомами середовища викликає різноманітні ефекти: часткове відновлення кристалів броміду срібла фото­чутливої емульсії, флуоресценцію, іонізацію, хімічні реакції, біологічну дію.

Ступінь поглинання і ослаблення рентгенівського випромінювання різними сере­довищами чи речовинами тим значніший, чим більший порядковий номер елементів, які входять до складу речовини, її товщина та щільність розташування в ній атомів. Організм людини складається з неоднорідних тканин (кістки, м'язи, повітроносні органи та інші) з різним ступенем поглинання рентгенівського випромінювання. Цим зумовлене його застосування для одержання диференційованого зображення внутрішньої структури органів і тканин, яке ґрунтується на інтерпретації різних за інтенсивністю тіней.