Рентгенівське та радіоактивне випромінювання
Історія відкриття х променів
Рентгенівське випромінювання – це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі від 80 нм до  нм і займає спектральну область між гамма і ультрафіолетовим випромінюванням. У медицині для рентгенодіагностики і рентгенотерапії застосовують рентгенівське випромінювання з довжиною хвиль від 10 нм до  нм.
Вперше про відкриття Х променів, які виникали при співударі швидких електронів з речовиною (названих Х променями) було повідомлено у листопаді 1895 р. німецьким фізиком Вільямом Рентгеном.
Задовго до перших досліджень Рентгена Х промені відкрив український фізик світового рівня, родом з Тернопільщини Іван Пулюй (1845-1918 р.). Народився Іван у містечку Гримайлові. Після завершення навчання у Тернопільській гімназії закінчив теологічний і філософські факультети Віденського університету, а у 1877 році в Страсбурзі захистивши дисертацію з фізики здобув науковий ступень доктора натуральної філософії. У 1884 році Міністерство освіти Австрії призначає І.Пулюя професором експериментальної і технічної фізики Німецької вищої технічної школи у Празі, а через п’ять років його обирають ректором цього ж навчального закладу.
За видатні наукові і педагогічні досягнення з фізики та електротехніки в 1906 році І.Пулюй був нагороджений орденом Залізної корони, в 1910 році отримав титул радника цісарського двору.
Важко переоцінити роль І.Пулюя у дослідженні Х променів. Ще на початку 1895 року І.Пулюй спостерігав дію невидимих променів, проте не поспішав повідомляти про них науковий світ. Після попереднього повідомлення про відкриття нового виду променів, яке Рентген зробив 28 грудня 1895 року, І.Пулюй 13 лютого і 5 березня 1896 року опублікував дві статті про виникнення та фотографічну дію Х променів, і лише 9 березня 1896 року та у травні 1897 року з’являються статті Рентгена, присвячені результатам досліджень властивостей Х променів. Крім того І.Пулюй належить першість у відкритті іонізаційної здатності Х променів, у дослідженні їх просторового розподілу та поясненні механізму виникнення.
Рис. 8.1
Рентгенівські (Х промені) виникають у трубках Пулюя – скляних балонах, з яких викачено повітря до тиску  і в які впаяні катод і анод (рис. 8.1). Останній зроблений з тугоплавкого металу. Спіраль катода розігрівається електричним струмом від джерел розжарювання  і випромінює електрони, які прискорюючись електричним полем бомбардують анод, у результаті чого виникає Х випромінювання.
Рис.8.2
І
нтенсивність Х випромінювання  пропорціональна квадратові напруги між анодом і катодом, атомному номеру речовини анода і силі струму:
 ,
|
(8.1)
|
де  - коефіцієнт пропорціональності.
Гальмівне Х випромінювання
Гальмівне Х випромінювання виникає у результаті гальмування швидких електронів  (1 еВ – енергія, яку набуває електрон рухаючись в електричному полі між точками, різниця потенціалів між якими рівна 1 В) електростатичним полем атомних електронів речовини анода.
Нехай вся кінетична енергія електрона перетворюється в енергію фотона
 тоді  , звідки
|
(8.2)
|
Враховуючи значення постійної Планка, швидкості світла і заряду електрона в системі СІ, одержуємо:
 
|
(8.3)
|
де  - мінімальна довжина рентгенівського випромінювання при даному  .
Довжина рентгенівської хвилі, на яку припадає максимум енергії випромінювання, пов’язана з мінімальною довжиною рентгенівської хвилі для даної високої напруги слідкуючою залежністю:
|
(8.4)
|
Характер суцільного спектру гальмівного рентгенівського випромінювання залежить від матеріалу анода.
Спектр гальмівного Х випромінювання є суцільним і залежить від прикладеної напруги між катодом і анодом.
Характеристика Х випромінювання
Характеристичне випромінювання виникає після іонізації атома, при якому відбуваються електронні переходи в оболонках ближчих до ядра.
При збільшенні напруги між катодом і анодом спектр Х випромінювання буде змінюватися у бік коротких хвиль як і у випадку гальмівного випромінювання.
Рис. 8.3
Характеристичний (лінійчатий) спектр зумовлений вибиванням прискорених електронів із внутрішніх шарів атома, в результаті чого випромінюється кванти  . Експериментально було показано Мозлі, що:
|
(8.5)
|
де  і  - сталі величини,
 - частота спектральної лінії,
 – атомний номер елемента.
Квадратний корінь із частоти відповідних ліній спектра різних атомів знаходиться в лінійній залежності від порядкового номера елемента.
Характеристичні спектри атомів, на відміну від оптичних, у сполуках і у вільному стані мають однаковий вигляд.
Взаємодія Х випромінювання з речовиною.
Поглинання Х випромінювання характеризується коефіцієнтом  , який пропорціональний четвертому степені атомного номера  речовини, третьому степені довжини хвилі  , густині речовини  і товщині  :
Порівняємо коефіцієнти для кісток (до складу яких входять головним чином кальцій, фосфор та кисень) і води
Звідси випливає, що кістки вбирають Х випромінювання в 150 разів сильніше ніж м’які тканини. При проходженні Х променів через тіло людини на флуоресціюючому екрані (рентгенівській плівці) будуть спостерігатися області з різними ступенями освітленості. Менш різкі тіні, ніж кістки і метали дають такі органи, як серце, легені та ін.
Тіньове зображення шлунка та кишок стає чітким, якщо в них ввести сульфат барію у вигляді каші, який поглинає випромінювання сильніше, ніж середовище. У деяких випадках як контрастні речовини використовують гази. Їхня густина менша від густини тканин, тому вони поглинають випромінювання слабше.
За одиницю експозиційної дози Х випромінювання приймається така доза рентгенівського  -випромінювання, яка внаслідок іонізації 1 кг сухого повітря викликає появу електричного заряду в  кулона.
Ця одиниця називається рентгеном. При експозиційній дозі в 1 рентген (1 р) внаслідок повної іонізації під дією рентгенівського і -випромінювання в  сухого повітря утворюється близько 2 мільярдів пар іонів. Прийнято вважати, що для тканин організму експозиційна доза 1 р викликає поглинання приблизно  на 1 кг маси.
Потужність дози – це величина, вимірювана до часу опромінень. Потужність дози
|
(8.7)
|
Людський організм лише без шкоди переносить дози щоденного опромінення до 0,05 рентгена. Дози в 5-400 рентгенів викликають різноманітні ускладнення, а дози близько 500 рентгенів смертельні.
Для захисту від Х променів використовують свинець, товсті шари солей барію, спеціальні сорти скла, що містять у своєму складі багато свинцю.
Рентгенодіагностика і рентгенотерапія.
Розпізнавання захворювань під час просвічування тіла Х випромінюванням називається рентгенодіагностикою.
Рентгенодіагностика поділяється на рентгеноскопію (просвічування) і рентгенографію (отримання світлини). При рентгеноскопії тіньове зображення внутрішніх органів і тканин спостерігають безпосередньо на флуоресцентному екрані. Рентгеноскопію проводять головним чином при рентгенодіагностиці захворювань внутрішніх органів, розташованих в черевній і грудній порожнинах. Недоліками рентгеноскопії є порівняно висока доза опромінення хворого і обслуговуючого персоналу, а також менша у порівнянні з рентгенографією розподільна здатність у виявленні окремих деталей структури кісток, легень, до джерел патологічних вогнищ.
При рентгенографії за тілом пацієнта розташовують касету з фотоплівкою. Зображення при цьому отримують більш чітким, що дає змогу дослідити більш дрібні деталі зображення. Порівняння рентгенограм, зроблених повторно через деякий час, дає можливість стежити за перебігом хвороби чи ефективністю її лікування.
Одним з видів рентгенографії є флюорографія – фотографування зображення з флуоресцентного екрана на плівку. Світлини розглядають за допомогою спеціальних збільшувачів.
Рентгенівська (комп’ютерна) томографія дозволяє порівнювати пошарове зображення отриманих за різних положень джерела випромінювання відносно пацієнта. Порівняння зображень, яке здійснюється комп’ютером дає можливість отримувати певні зрізи досліджуваного органу. Рентгенівські комп’ютерні томографи дозволяють діагностувати майже будь-які порушення макроскопічних структур організму (пухлини, камені в нирках тощо).
Явище радіоактивність. Радіоактивне випромінювання
Одним із джерел іонізуючого випромінювання є радіоактивний розпад атомних ядер. Вивчення радіоактивності, її числових характеристик, взаємодії з живою і неживою речовиною, роботи реєструючих приладів – це основа розуміння студентами – медиками механізму дії іонізуючого випромінювання на тканини і органи організму та його застосування в медицині.
Закон радіоактивного розпаду
Природна радіоактивність це явище самовільного перетворення атомних ядер нестійких ізотопів у стійкі, що супроводжується випромінюванням частинок речовини і високочастотного електромагнітного випромінювання. Радіоактивність була відкрита в 1896 р. французьким фізиком Беккеррелем. Він виявив, що солі урану випускають невидимі промені або частинки, які проникають через непрозорі тіла, викликаючи фотолюмінесценцію, іонізують речовину і здатні засвічувати фотопластинку. Дальші дослідження, які були проведені Л.Кюрі і М. Кюрі – Складовською, показали, що природна радіоактивність властива не тільки для урану, але й для багатьох важких хімічних елементів.
Радіоактивний розпад має імовірнісний характер, так як неможливо передбачити, який саме атом розпадеться. Інтенсивність радіоактивного випромінювання зменшується з часом.
Експериментально було встановлено, що число атомів  в, які розпалися за час  , пропорційне часу і загальному числу атомів  радіоактивного елементу:
|
(8.8)
|
де  - постійна розпаду. Ця величина пропорційна імовірності розпаду ядра і неоднакова для різних радіоактивних елементів. Знак мінус показує, що число атомів у радіоактивному елементі з часом зменшується.
Інтегрування рівняння (8.7) в межах від  до  дає
|
(8.9)
|
де  - число атомів елементу в початковий момент часу ;
– число атомів того ж елементу в момент часу .
Графічно закон радіоактивного розпаду зображений на рисунку ?????.
Приведемо основні параметри, які характеризують радіоактивний розпад.
Період напіврозпаду  - проміжок часу, за який кількість ядер, які розпалися, зменшується вдвоє. Підставляючи в рівняння (8.9)  і  , одержуємо зв’язок між і  :
|
(8.10)
|
Рис
Величину  називають середнім часом життя радіоактивного ядра. За середній час життя атомів у збудженому стані приймається час, протягом якого число атомів зменшиться в  разів.
|