Изобретение рентгеновского излучения

Виды рентгеновского излучения

Оно бывает нескольких видов и различается по проникающей способности и по протяжённости волны:

• Жёсткое;
• Мягкое (проникающая способность значительно ниже, но сами волны длиннее).

Действует подразделение по признакам спектра и механизмам действия:

• Характеристическое;
• Тормозное.

Любые типы складываются благодаря рентгеновской трубке. Этот термин значит электровакуумный прибор, который предназначен для генерации электромагнитных волн. Основой работы служит термоэлектронная эмиссия.

Тормозное излучение образуется при помощи торможения электронов полем атомарных электронов. Его диапазон — непрерывный, определяется границами волн.

Основные свойства рентгеновских лучей

1. Проникающая способность. Все тела для рентгеновского луча прозрачны, и степень прозрачности зависит от толщины тела. Именно благодаря этому свойству луч стал применяться в медицине для выявления работы органов, наличия переломов и инородных тел в организме.
2. Они способны вызывать свечение некоторых предметов. Например, если на картон нанести барий и платину, то, пройдя через сканирование лучами, он будет светиться зеленовато-желтым. Если поместить руку между трубкой рентгена и экраном, то свет проникнет больше в кость, чем в ткани, поэтому на экране высветится ярче всего костная ткань, а мышечная менее ярко.
3. Действие на фотопленку. Х-лучи могут подобно свету делать пленку темной, это позволяет фотографировать ту теневую сторону, которая получается при исследовании рентгеновскими лучами тел.
4. Рентгеновские лучи могут ионизировать газы. Это позволяет не только находить лучи, но и выявлять их интенсивность, измеряя ток ионизации в газе.
5. Оказывают биохимическое воздействие на организм живых существ. Благодаря этому свойству рентгеновские лучи нашли свое широкое применение в медицине: они могут лечить как кожные заболевания, так и болезни внутренних органов. В этом случае выбирается нужная дозировка излучения и срок действия лучей. Длительное и чрезмерное применение такого лечения весьма вредно и губительно для организма.

Следствием использования рентгеновских лучей стало спасение множества человеческих жизней. Рентген помогает не только своевременно диагностировать заболевание, методики лечения с применением лучевой терапии избавляют больных от различных патологий, начиная с гиперфункции щитовидной железы и заканчивая злокачественными опухолями костных тканей.

История открытия

Сделанная В. К. Рентгеном фотография (рентгенограмма) руки Альберта фон Кёлликера

Рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном. Изучая экспериментально катодные лучи, вечером 8 ноября 1895 года он заметил, что находившийся вблизи катодно-лучевой трубки картон, покрытый платиносинеродистым барием, начинает светиться в тёмной комнате. В течение нескольких следующих недель он изучил все основные свойства вновь открытого излучения, названного им X-лучами («икс-лучами»). 22 декабря 1895 года Рёнтген сделал первое публичное сообщение о своём открытии в Физическом институте Вюрцбургского университета. 28 декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества была опубликована статья Рентгена под названием «О новом типе лучей».

Но ещё за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей и испускаемое ими тормозное излучение, однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм[источник не указан 529 дней].

По некоторым сообщениям, опубликованным лишь в 1896 году, и в ссылающихся на них источниках, лучи, обладающие фотохимическим действием, были за 11 лет до Рентгена описаны директором и преподавателем физики Бакинского реального училища Егором Семёновичем Каменским (1838—1895), председателем Бакинского кружка любителей фотографии. Секретарь этого кружка А. М. Мишон якобы также проводил опыты в области фотографии, аналогичные рентгеновым. Однако в результате рассмотрения вопроса о приоритете на заседании Комиссии по истории физико-математических наук АН СССР 22 февраля 1949 года было принято решение, «признавая имеющийся в наличии материал по вопросу об открытии Х-лучей недостаточным для обоснования приоритета Каменского, считать желательным продолжить поиски более веских и достоверных данных»

Некоторые источники называют первооткрывателем рентгеновских лучей австро-венгерского физика Ивана Павловича Пулюя (родом из Галиции), который начал интересоваться разрядами в вакуумных трубках за 10 лет до опубликования открытия Рентгеном. По этим утверждениям, Пулюй заметил лучи, которые проникают через непрозрачные предметы и засвечивают фотопластинки. В 1890 году им были якобы получены и даже опубликованы в европейских журналах фотографии скелета лягушки и детской руки, однако дальнейшим изучением лучей и получением патента он не занимался. Это мнение опровергается в посвящённой Пулюю монографии Р. Гайды и Р. Пляцко, где подробно анализируются истоки и развитие этой легенды, и в других работах по истории физики. Пулюй действительно сделал большой вклад в изучение физики рентгеновского излучения и в методику его применения (например, он первым обнаружил появление электропроводности в газах, облучаемых рентгеновскими лучами), но уже после открытия Рентгена.

Катодно-лучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок[источник не указан 529 дней]. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.

По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи независимо — при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодно-лучевой трубки. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в которых было исчерпывающее описание новых лучей. Впоследствии сотни работ его последователей, опубликованных затем на протяжении 12 лет, не могли ни прибавить, ни изменить ничего существенного. Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: «Я уже всё написал, не тратьте зря время». Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки Альберта фон Кёлликера, которую он опубликовал в своей статье (см. изображение справа)

За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В других странах используется предпочитаемое Рентгеном название — X-лучи, хотя словосочетания, аналогичные русскому, (англ. Roentgen rays и т. п.) также употребляются

В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В. К. Рентгена — Абрама Фёдоровича Иоффе.

Лабораторные источники

Рентгеновские трубки

Основная статья: Рентгеновская трубка

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, U_h — напряжение накала катода, U_a — ускоряющее напряжение, W_in — впуск водяного охлаждения, W_out — выпуск водяного охлаждения

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом генерируется тормозное излучение в рентгеновском диапазоне с непрерывным спектром и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. На пустые места (вакансии) в оболочках переходят другие электроны атома из его внешних оболочек, что приводит к испусканию рентгеновского излучения с характерным для материала анода линейчатым спектром энергий (характеристическое излучение, чьи частоты определяются законом Мозли: ν=A(Z−B),{\displaystyle {\sqrt {\nu }}=A(Z-B),} где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена или меди.

Трубка Крукса

В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99 % энергии превращается в тепло.

Ускорители частиц

Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц. Так называемое синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле, в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.

Рентгеновские лучи

Проще говоря, рентгеновские лучи — это сверхмощная форма обычного света — волны, которые движутся по прямым линиям со скоростью света, но имеют очень высокую энергию.

Если бы вы могли закрепить рентгеновские лучи на листе бумаги и измерить их, вы бы обнаружили, что длина волны рентгеновского излучения в тысячи раз короче длины волны обычного света. Это означает, что их частота (как часто они колеблются) соответственно выше. Энергия электромагнитных волн напрямую связана с частотой этих волн.

Рентгеновские лучи, являющиеся высокочастотными волнами (в диапазоне от 3 × 10 16 Гц до 3 × 10 19Гц) очень энергичны и поэтому более проницательны, чем обычные световые волны. В результате световые волны имеют ограниченную способность проходить; при ударе твердым (непрозрачным) материалом он перестает двигаться дальше. Тем не менее, благодаря своей энергетической природе, рентгеновские лучи могут путешествовать гораздо глубже, чем обычный свет; хотя они могут быть остановлены материалом с очень большим количеством электронов (более высокий атомный номер).

Теперь давайте подробно рассмотрим проникающую способность и ограничения рентгеновских лучей.

Когда дело доходит до обычного света, мы знаем, что некоторые (прозрачные) материалы, такие как стекло или пластик, позволяют световым волнам через них легко проходить. Тем не менее, некоторые другие (непрозрачные) материалы, такие как дерево и металл, поглощают световые лучи, не давая им идти дальше. Примерно таким же образом существуют материалы, которые позволяют рентгеновским лучам проходить через них, в то время как другие затрудняют рассеивание рентгеновских лучей через них. Есть даже несколько материалов, которые полностью останавливают рентгеновские лучи. Почему это происходит?

Когда рентгеновские лучи проникают в любой материал, они должны пробиваться сквозь толпу атомов, чтобы выйти с другой стороны материала. Именно электроны представляют собой самую большую проблему для рентгеновских лучей, чтобы пройти через материал. Чем больше электронов, тем труднее становится для рентгеновских лучей путешествовать, поскольку все больше и больше энергии поглощается сталкивающимися электронами материала. Тем не менее, рентгеновские лучи достаточно сильны, чтобы пройти через материал с меньшим количеством электронов. Наша кожа, сделанная из молекул на основе углерода, является очень хорошим примером материала, позволяющего обходить рентгеновские лучи. Напротив, когда рентгеновские лучи сталкиваются с сильным материалом со многими электронами (более высокий атомный номер), они блокируются. Свинец (Pb), тяжелый металл с 82 электронами, особенно эффективен для остановки рентгеновских лучей.

Теперь, когда мы понимаем научную основу этой формы электромагнитного излучения, давайте рассмотрим некоторые из наиболее полезных применений рентгеновского излучения.

Взаимодействие с веществом

Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности, выяснилось, что их хорошо отражает алмаз.

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = Ie-kd, где d — толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z³λ³, Z — атомный номер элемента, λ — длина волны).

Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:

• Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флуоресценции.
• Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах — т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.

Биологическое воздействие

Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.

Регистрация

• Эффект люминесценции. Рентгеновские лучи способны вызывать у некоторых веществ свечение (флюоресценцию). Этот эффект используется в медицинской диагностике при рентгеноскопии (наблюдение изображения на флюоресцирующем экране) и рентгеновской съёмке (рентгенографии). Медицинские фотоплёнки, как правило, применяются в комбинации с усиливающими экранами, в состав которых входят рентгенолюминофоры, которые светятся под действием рентгеновского излучения и засвечивают светочувствительную фотоэмульсию. Метод получения изображения в натуральную величину называется рентгенографией. При флюорографии изображение получается в уменьшенном масштабе. Люминесцирующее вещество (сцинтиллятор) можно оптически соединить с электронным детектором светового излучения (фотоэлектронный умножитель, фотодиод и т. п.), полученный прибор называется сцинтилляционным детектором. Он позволяет регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию, поскольку энергия сцинтилляционной вспышки пропорциональна энергии поглощённого фотона.
• Фотографический эффект. Рентгеновские лучи, также, как и обычный свет, способны напрямую засвечивать фотографическую эмульсию. Однако без флюоресцирующего слоя для этого требуется в 30—100 раз большая экспозиция (то есть доза). Преимуществом этого метода (известного под названием безэкранная рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.
• В полупроводниковых детекторах рентгеновские лучи производят пары электрон-дырка в p-n-переходе диода, включённого в запирающем направлении. При этом протекает небольшой ток, амплитуда которого пропорциональна энергии и интенсивности падающего рентгеновского излучения. В импульсном режиме возможна регистрация отдельных рентгеновских фотонов и измерение их энергии.
• Отдельные фотоны рентгеновского излучения могут быть также зарегистрированы при помощи газонаполненных детекторов ионизирующего излучения (счётчик Гейгера, пропорциональная камера и др.).

Доказательство ущерба, причиняемого металлическими корсетами

В одном из самых ранних известных видов медицинской визуализации французский врач Людовик О’Фолловэл, чтобы привлечь внимание к одной проблеме, сделал снимки торсов нескольких женщин вначале с металлическими корсетами, а затем без них. Снимки чётко показывают, как жёсткие металлические корсеты сдавливают грудную клетку, и находящиеся там внутренние органы

О’Фолловэл вовсе не был сторонником полного запрета корсетов. Он лишь хотел, чтобы их делали более гибкими. Именно это в дальнейшем и произошло. Снимки О’Фолловэла, подкреплённые мнениями других авторитетных врачей того времени, привели к тому, что промышленность начала выпускать более свободные корсеты.

Однако позже эксперты задались другим вопросом: имел ли право О’Фолловэл использовать рентген для того, чтобы доказать свою точку зрения? В те времена для того, чтобы сделать снимок, фиксируемый предмет подвергался действию лучей очень долго. Например, чтобы сделать в 1896-м году снимок предплечья, требовалось 45 минут. Чтобы сделать первый стоматологический рентгеновский снимок, потребовалось 25 минут. Женщины в корсетах подвергались действию лучей вдвое дольше, причём облучались наиболее чувствительные к радиации части тела: грудь и живот (а значит, и репродуктивные органы).

Опасность радиации в то время уже была хорошо известна. Уже в первый год испытаний лучей врачи регистрировали выпадение волос, покраснение и шелушение кожи. Кларенс Далли, работая с лучами для Томаса Эдисона, неоднократно подвергал свои руки воздействию радиации, и длилось это как минимум два года. Впоследствии обе руки были ампутированы, а сам Далли умер от рака в 1904-м году. Большинство пионеров в исследовании радиации (Мария и Ирэн Кюри, Джон Холл-Эдвардс, Вильгельм Рентген) умерли от заболеваний, вызванных радиацией.

Однако мир не спешил признавать огромную опасность избыточной радиации. Женщины облучали себе яичники для лечения депрессии. Излучение использовалось как средство от стригущего лишая, от прыщей, от импотенции, от артрита, от язвы и даже от рака. В косметических салонах клиентов облучали для того, чтобы на лице не росли волосы. Облучали зубную пасту, шоколад, воду. В 1920–1950-х годах во многих обувных магазинах стояли рентгеновские аппараты, делающие снимки ног клиентов в обуви, чтобы показать, насколько хорошо она сидит на ногах. В наши дни рентгеновские лучи почти никогда не используются для не-медицинских целей, однако и сегодня повышенная радиация представляет опасность. Одно исследование показало, что 18500 случаев рака во всём мире спровоцировано именно медицинским рентгеном.

Научная случайность

Эту находку называют случайностью. Однако это не так. Только талантливый учёный смог бы увидеть в этой случайности новое открытие.

В 1894 г. Рентген занимался экспериментальной работой, исследуя электрический разряд в стеклянных вакуумных трубках. В 1895 году 8 ноября он изучал свойства катодных лучей. Уже стемнело, он стал собираться домой, выключил свет. И увидел, что экран из синеродистого бария, за которым находилась катодная трубка, светится. Это было странно, ведь электрический свет не мог заставить его светиться, катодная трубка закрыта картонным чехлом, но, как оказалось, не выключена. Он выключил трубку – свечение исчезло.

При этом ни картонный чехол, ни метровый слой воздуха между ними не явились преградой для излучения. Это явление не могло не заинтересовать ученого. Он стал проверять способность этого излучения проходить сквозь разные предметы и материалы. Одни пропускали их, другие нет. То есть, некоторые вещества отражали эти лучи, другие частично, а иные не отражали совсем. Он назвал эти лучи Х-лучами. После этого ещё около 50 дней учёный работал, исследуя эти лучи. Он доказал, что именно катодная трубка излучает подобные лучи.

Случайно или нет, он подставил под лучи свою руку и увидел изображение костных структур кисти. Оказалось, что мягкие ткани кисти хорошо пропускали свет нового излучения, а костные структуры, наоборот, как и металл, оказались совершенно непроницаемы для лучей.

Первый известный рентгенологический снимок, который вошёл в историю, стал снимок руки супруги ученого. 28 декабря 1895 г. он описал свое открытие. Рукопись «О новом виде лучей» заняла 30 страниц. Рентген отправил её нескольким ученым физикам в Европе. Представил свое открытие и на суд Вюрцбургского физико-медицинского общества. Его открытие сразу заинтересовало мир ученых. Физики назвали новые обнаруженные лучи рентгеновскими, в честь их открывателя.

Исследования излучения продолжались. В 1896 г. Рентген в своём втором сообщении подробно описывает разные свойства обнаруженных и описанных им ранее лучей, а также проведенные с ними опыты. Он написал об их ионизирующем воздействии, о возбуждении разными телами. Описал изменения, внесенные им в строение катодной трубки.

1901 году за открытие новых лучей ученый Вильгельм Рентген получил Нобелевскую премию, которую сразу передал своему университету. Рентген не оформил на себя патент на своё открытие, подарив его человечеству. Он прожил 78 лет. Большую часть своей жизни он трудился и сделал ещё немало для науки.

Оказалось, что физики, постоянно работавшие с этими лучами и не применявшие никакой защиты, обнаруживали у себя тяжелые лучевые ожоги и прочие проявления лучевой болезни. Понятие о величине безопасной дозы излучения для человека и защиты от него было определено позже.

История открытия Х-лучей

8 ноября 1895 г. профессор физики и ректор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген проводил эксперимент по прохождению электрического разряда сквозь разреженные газы. На обоих концах закрытой стеклянной трубки, из которой был удалён практически весь воздух, располагались электроды, на которые подавалось высокое напряжение. Отрицательно заряженный электрод (катод) испускал в трубке электроны. Под действием разности потенциалов между электродами электроны ускорялись и ударялись о второй электрод. И всякий раз, когда электрический разряд проскакивал через трубку, вспыхивал зеленоватым светом находящийся поблизости экран из синеродистого бария. Отключив напряжение от трубки, Рентген увидел, что свечение также исчезло. Значит, источником неизвестных лучей являлась электронная трубка.

Неизвестные лучи оказались всепроникающими. Между трубкой и экраном Рентген помещал различные предметы: книгу, доску, лист бумаги. Неизвестные лучи легко проходили через них. Когда на пути лучей оказалась рука учёного, на световом экране он увидел силуэты костей своей руки. Более того, фотоматериалы, упакованные в светонепроницаемую бумагу и лежавшие неподалёку от электронной трубки, оказались засвеченными.

Природа открытых лучей была неизвестна, поэтому Рентген назвал их Х-лучами. Х-лучи были описаны им в рукописи «О новом виде лучей». А сама рукопись отправлена в Вюрцбургское Физико-медицинское общество. И уже 23 января 1896 г. Рентген делал научный доклад перед его членами. И после доклада под аплодисменты собравшихся 80-летний анатом Альберт фон Кёлликер предложил называть Х-лучи рентгеновскими лучами.

Нужно заметить, что ещё при жизни Рентгена удалось выяснить, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное волновое излучение.

10 декабря 1901 г Вильгельму Конраду Рентгену, первому из учёных-физиков, была вручена Нобелевская премия «в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей, названных впоследствии в его честь». Денежную сумму Рентген завещал университету, в стенах которого он сделал своё величайшее открытие.

Трёх- и четырёхмерное ультразвуковое исследование

В течение тридцати лет ультразвук был ограничен только двумя измерениями, в которых аппараты вначале посылали звуковые волны, а потом фиксировали эхо. Миллионы родителей героически пытались, но так и не смогли разобрать на чёрно-белых снимках, как же выглядит их ребёнок. С 1970-го года учёные работают над трёхмерным ультразвуковым исследованием (УЗИ) детей. Звуковые волны посылаются под разными углами и в разных направлениях, затем из полученного эха реконструируется образ ребёнка. Почти так же, как это делает томограф.

В 1984-м году Кадзунори Баба из Токийского института медицинской электроники стал первым человеком, которому удалось получить трёхмерное изображение младенца в утробе матери. Но качество изображения и количество времени, которое потребовалось для реконструкции образа (10 минут) сделало метод диагностически непригодным.

Олаф фон Рамм

В 1987-м году Олаф фон Рамм и Стивен Смит запатентовали первый скоростной метод трёхмерного УЗИ, который позволил повысить качество изображения, и сократить время его обработки. А потом начался настоящий бум ультразвука, особенно после добавления четырёхмерного УЗИ, при котором родители получают возможность разглядеть движения своего ребёнка.