10 фактов о рентгеновских лучах

Владислав Сыщенко,
докт. физ.-мат. наук, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
«Троицкий вариант» №4(123), 26 февраля 2013 года

1. Рентгеновскими лучами обычно называют электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 10 нанометров до 10^–3 нанометра, что соответствует энергии фотонов от 100 эВ до 1 МэВ. Общепринятого четкого разграничения с ультрафиолетовым (в мягкой области) и гамма-излучением (в жесткой области) не существует.

2. Рентгеновские фотоны, проходя сквозь вещество, могут рассеиваться либо поглощаться, что приводит к ослаблению начального потока. Коэффициент ослабления быстро возрастает с ростом зарядового числа ядер атомов вещества Z. Поэтому, например, человеческие кости, содержащие в своем составе кальций, ослабляют рентгеновское излучение значительно сильнее, чем мягкие ткани, состоящие из воды более чем на 70%. Этот факт лежит в основе медицинской рентгенографии (рис. 1).
   

   Рис. 1. Рентгенограмма руки Берты Рентген. Фото с сайта en.wikipedia.org

3. В рентгеновской трубке излучение возникает при бомбардировке анода электронами, ускоренными высоким напряжением. Излучение трубки (рис. 2) складывается из обладающего непрерывным спектром тормозного излучения электронов в поле атомных ядер вещества анода и узких линий, возникающих при выбивании налетающими электронами электронов из внутренних оболочек атомов анода и последующем заполнении образовавшихся вакансий электронами с внешних оболочек. Каждый химический элемент обладает своим уникальным набором таких линий, поэтому такое излучение называют характеристическим.
   

   Рис. 2. Спектр излучения рентгеновской трубки с родиевым анодом, работающей под напряжением 60 киловольт. Изображение с сайта en.wikipedia.org
4. Длина волны рентгеновского излучения сравнима с межатомными расстояниями в твердом теле. Поэтому кристалл может играть роль дифракционной решетки для рентгеновских лучей. При этом симметрия максимумов интенсивности прошедшего сквозь кристалл рентгеновского излучения будет отражать симметрию расположения атомов в кристалле. Эксперименты в этой области послужили независимым подтверждением существования атомов и заложили основу рентгеноструктурного метода анализа вещества. В частности, возможность выращивать кристаллы из таких сложных молекул, как гемоглобин и ДНК, позволила применить рентгеноструктурные методы к исследованию структуры этих биологически важных соединений.

5. В силу тех же дифракционных эффектов кристалл, ориентированный определенным образом по отношению к падающему потоку рентгеновского излучения, будет отражать лишь излучение определенной длины волны, выполняя роль монохроматора.

6. Монохроматическое рентгеновское излучение необходимо для решения многих прикладных задач. В частности, оно позволяет реализовать идею двухлучевой ангиографии (рис. 3). Однако для реализации этой методики желательно иметь источник излучения более высокой интенсивности, нежели рентгеновская трубка.
   

   Рис. 3. Принцип двухлучевой ангиографии (synchrotron-based k-edge digitaL subtraction angiography): пациент просвечивается двумя монохроматическими пучками рентгеновского излучения, энергия одного из которых немного ниже, а второго — немного выше k-края полосы поглощения контрастного вещества (йода), вводимого внутривенно. Второй пучок будет интенсивно поглощаться атомами йода, находящегося в кровотоке. Компьютерное вычитание двух снимков даст четкую картину кровеносных сосудов
7. Для создания высокоинтенсивного пучка рентгеновского излучения можно заставить электроны высокой энергии двигаться с ускорением в макроскопических внешних полях. Так происходит, например, в синхротронах — кольцевых ускорителях электронов. Если когда-то синхротронное излучение считалось исключительно вредным эффектом, ограничивающим энергию электронов, достижимую на ускорителе, то теперь во многих странах действуют синхротроны, специально построенные для генерации излучения.

8. Как синхротроны, так и рентгеновские лазеры на свободных электронах — громоздкие и дорогие машины. В настоящее время идет интенсивный поиск возможностей создания недорогого и компактного источника интенсивного, монохроматичного и перестраиваемого по частоте рентгеновского излучения, пригодного для установки в обычной клинике.

9. Еще одним способом генерировать жесткое электромагнитное излучение в лаборатории является обратный эффект Комптона. Если посветить лазером навстречу пучку электронов высокой энергии, рассеянные фотоны будут обладать большей энергией, нежели налетающие.
   

   Рис. 4. Современная рентгенограмма кисти руки. Изображение с сайта www.articlesweb.org

10. И синхротронный, и обратный комптоновский, другие механизмы генерации рентгеновского излучения реализуются в ходе различных астрофизических процессов. Поэтому рентгеновское излучение, приходящее из космоса, несет в себе ценную информацию о том, что происходит во Вселенной.