Способы получения поляризованного света.

1. Призма Николя (рис.1.5.13).

Она изготовлена из кристалла исландского шпата. Распил делается по плоскости, соединяющей тупые углы и склеивается канадским бальзамом (n=1,66). При падении светового луча на грань призмы, необыкновенный луч падает на плоскость склейки под меньшим углом, чем предельный угол падения для канадского бальзама, и проходит, практически не изменяя направления. Обыкновенный луч падает под большим углом, испытывает полное внутреннее отражение от плоскости склейки и поглощается зачерненной стенкой призмы.

Призма Николя дает полностью поляризованный и неокрашенный свет, но является сравнительно дорогим устройством.

2. Для получения поляризованного света используют также поляроиды (поляризационные светофильтры).

Существуют кристаллы, например турмалин, которые обладают свойством дихроизма, т. е. различного поглощения света в зависимости от ориентировки плоскости колебаний световой волны относительно главной плоскости кристалла. В таком кристалле обыкновенные лучи почти полностью поглощаются, а необыкновенные проходят насквозь.

Поляроиды представляют собой прозрачную пленку, на которую нанесены кристаллы дихроичного вещества, например герапатита (сернокислого иодхинина). В процессе изготовления пленки, кристаллы ориентируются так, чтобы их оптические оси были параллельны. В результате они дают поляризованный свет с колебаниями в одной определенной плоскости.

Недостатком поляроидов является то, что они дают не полностью поляризованный и частично окрашенный свет, но сравнительно дешевы.

Плоская поляризация света, особенно частичная (рис.1.5.10б), весьма распространенное явление, однако глаз не отличает поляризованный свет от естественного. Поэтому все наблюдения поляризации света или связанных с ней явлений производятся только с помощью специальных приборов.

Рассмотрим систему поляризатор - анализатор (рис. 1.5.14).

Если плоскости колебаний поляризатора и анализатора совпадают, то свет полностью проходит через систему.

Если плоскости перпендикулярны - свет полностью не проходит.

Если плоскости расположены под некоторым углом друг к другу, то свет проходит частично.

Эта зависимость определяется законом Малюса:

Сила света, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями колебаний анализатора и поляризатора.

J=J₀ cos²a

J₀ - интенсивность света, падающего на анализатор

J - интенсивность света, прошедшего через анализатор

a - угол между плоскостями колебаний анализатора и поляризатора.

Растворы многих органических веществ (сахара, кислоты, алкалоиды и др.), а также некоторые чистые жидкости обладают свойством вращать плоскость колебаний поляризованного света. Такие вещества называют оптически активными. Различают право - и левовращающие вещества.

Для растворов оптически активных веществ угол вращения a зависит от длины волны l поляризованного света, от природы вещества, температуры (t⁰), концентрации С и длины столба раствора - L.

Если l=const, то a=[a] c · L

[a] - удельный угол вращения - это стократный угол вращения плоскости колебаний для столба раствора длиной 1 дм (10 см) при концентрации вещества 1г на 100 мл раствора, при температуре 20⁰ С и длине световой волны l=589 нм (желтая линия паров натрия).

Зависимость угла вращения для данного вещества от длины волны определяется законом Био: a=а/l²

а - постоянная, зависящая от природы вещества.

Поэтому исследования, связанные с вращением плоскости колебаний поляризованного света (метод называется поляриметрией), производятся в монохроматическом свете, который получают с помощью соответствующих светофильтров. При использовании белого поляризованного света, анализатор при повороте будет пропускать поочередно лучи различной длины волны. Пятно на экране будет соответственно менять цвет. Это явление называется вращательной дисперсией и используется при изучении структуры вещества, а метод называется спектрополяриметрией. Зная угол вращения, можно решить обратную задачу - определить концентрацию вещества в растворе: С=a/([a]· L). Это используется в клинической практике, санитарии и т. д.

Приборы для таких исследований называются поляриметрами. Рассмотрим устройство полутеневого поляриметра (рис. 1.5.15).

Световой луч проходит через оранжевый светофильтр “СФ”, объектив “Об”, кварцевую пластинку “КП” и поляризатор ”П”. Из системы поляризатора луч через кювету с исследуемым раствором проходит через анализатор “А” и окуляр “ОК” зрительной трубы, служащий для наблюдения поля зрения. В виду того, что при установке поля зрения на темноту бывает трудно уловить абсолютное исчезновение света, поле зрения разделяют на три части и добиваются одинаковой яркости этих частей. Кварцевая пластинка закрывает среднюю часть поля зрения. В виду этого, плоскость световых колебаний в средней части поля зрения составляет небольшой угол с плоскостью световых колебаний в боковых участках. Анализатор поворачивают так, чтобы плоскость, в которой он пропускает световые колебания, составляла одинаковый угол с плоскостями колебания центрального и боковых участков. Тогда по закону Малюса яркость всех трех участков будет одинакова. Такое положение принимается за нулевое.

МЕХАНИЗМ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ.

Впервые предположение о невидимой мельчайшей частице «атоме» были высказаны мыслителями древней Греции и Рима. В 17 веке в трудах Менделеева, Ломоносова, Клаузиуса, Джоуля и других, это предположение было развито с точки зрения свойств атомов, однако сами атомы до конца 19 века так и считали неделимыми “кирпичиками мироздания”. Открытие радиоактивности, рентгеновских и катодных лучей привели к предложению моделей строения атома (Резерфорд, Томсон и др.) Более состоятельной оказалась планетарная модель Резерфорда. Однако она по многим пунктам не соответствовала классическим представлениям механики и электродинамики того времени. Выход из этого несоответствия был найден датским физиком Н. Бором. Он предложил два постулата, объясняющих стационарность и переходы энергии атома:

1. Атом и атомные системы могут длительно пребывать только в некоторых дозволенных стационарных состояниях. Этим состояниям соответствуют дискретные значения энергии. Находясь в этих состояниях, атом не излучает и не поглощает энергию.

2. Любое изменение энергии атома или атомной системы связано со скачкообразным переходом ее из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается квант энергии, равный разности дозволенных значений энергии стационарных состояний.

Н. Бор рассчитал дозволенные состояния и дозволенные энергии квантов, излучаемых атомом водорода. Эти расчеты полностью совпадали с экспериментальными исследованиями Ридберга, проведенными ранее. Однако для других атомов подобные расчеты не совпадали с экспериментальными данными. Нужны были новые не классические подходы. Поэтому, в начале 20-х годов нашего столетия начала развиваться новая наука - квантовая механика, положения которой объясняли энергетические состояния атомов и атомных систем и их поведение при излучении и поглощении энергии.

Любая движущая микрочастица (в том числе и электрон в атоме) сопоставляется с волновым процессом (по де Бройлю). Положение этой частицы описывается в общем виде волновой функцией, зависящей от координат и времени - y(х, y, z, t). Если силовое поле, действующее на электрон стационарно (не зависит от времени), то волновую функцию можно представить произведением. y(x,y,z,t) = f(t)·y(x,y,x)

Функция y(х, у, z) является вероятностной характеристикой.

Выделим в пространстве объем dV=dx dy dz. В пределах dV функция y(x, y, z) постоянна. Вероятность нахождения частицы в объеме dV равна dW=|y|²·dV, откуда |y|² = dW/dV

Последнее выражение определяет физический смысл волновой функции:

Квадрат модуля волновой функции равен плотности вероятности, т.е. отношению вероятности нахождения частицы в объеме к этому объему.

Таким образом, дискретные значения энергии электрона в атоме определяются конкретными возможными значениями y-функции, каждое из которых характеризуется определенным набором квантовых чисел.

Мы не будем рассматривать их подробно, они Вам хорошо известны из школьной программы и курса лекций по химии, поэтому определимся, что:

1. В атоме существуют электронные оболочки, которые обозначаются K, L, M, N, O, P, Q, им соответствуют главные квантовые числа n=1,2,3,4,5,6,7 - номер оболочки, считая от ядра.

2. В каждой оболочке существуют подоболочки s, p, d, f, g, h, им соответствуют побочные квантовые числа l=0,1,2,3,4,5.

3. В каждой подоболочке может быть (2l+1) - всех уровней с разными спинами S.

4. Магнитное поле движущегося электрона создает дополнительные подуровни, которые характеризуются магнитными квантовыми числами m.

Поведение электронов в атоме определяется в квантовой механике дифференциальным уравнением Шредингера, в состав которого входят энергия электрона в атоме, y-функция и координаты электрона в трехмерном пространстве. Решение этого уравнения приводит к нахождению значений дозволенных уровней энергий Е, выраженных через квантовые числа: n, l, m, s. Разность рассчитанных энергий определяет спектр излучений атома или атомных систем. По этой методике были рассчитаны спектры многих атомов периодической системы Менделеева и молекулярные спектры. Расчеты достаточно точно совпадают с экспериментальными данными, что подтверждает правильность основных положений квантовой механики.

Электроны невозбужденного атома всегда стремятся занять состояние с наименьшей энергией, т.е. дозволенную орбиталь наиболее близкую к ядру. Однако по принципу Паули в атоме водорода и водородоподобных соединений один электрон всегда занимает состояние с наименьшей энергией, а в сложных атомах электроны заполняют все дозволенные орбиты, начиная с ближней к ядру.

Энергетические уровни молекул определяются как сумма значений энергий, присущих движению электронов в атомах, энергий колебательного движения атомов и вращательного движения молекул в целом, т.е. количество дозволенных стационарных состояний в молекуле увеличивается.

E_мол=E_эл+E_кол+E_вр

При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние, энергия излучается, при обратном переходе - поглощается. Энергия фотона равна разности дозволенных энергетических состояний атома или молекулы

hn=Е₂ - Е₁

Однако не все переходы могут осуществляться, для каждого атома существуют правила отбора: одни переходы возможны или вероятны; другие переходы маловероятны, но возможны; третьи переходы вообще невозможны (запрещены). Излучаемая атомами или молекулами энергия составляет спектр испускания, поглощаемая - спектр поглощения. Получают спектры с помощью спектроскопов (дисперсионных и дифракционных).

В атомных спектрах число дозволенных переходов невелико, поэтому визуально спектр состоит из отдельных узких полос и называется линейчатым. Его дают газы и пары металлов.

В молекулярных спектрах, в отдельных диапазонах частот число дозволенных переходов значительно увеличивается. Такие спектры представляют собой широкие полосы и называются полосатыми.

Твердые, жидкие тела и газы под очень высоким давлением дают сплошной спектр.

Спектры являются источником различной информации:

1. По виду спектра можно судить о состоянии вещества, его темпе-ратуре, давлении и т.д.

2. По спектру можно определить строение атома, молекулы, структуру их энергетических уровней.

3. По интенсивности спектральных линий определяют количество излучающих (поглощающих) атомов - количественный химический анализ (до нескольких десятков микрограмм - 10^-9 кг).

4. По виду спектра можно определить химический состав образцов (качественный химический анализ).

Рассматривая перспективы развития отдельных разделов физики, следует обратить внимание на квантовую электронику. Она изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием внутреннего излучения квантовых систем (молекул, атомов).

Различают два вида квантовых излучений. Если возбужденная частица самопроизвольно переходит на более низкий дозволенный энергетический уровень, то такое излучение называют спонтанным. Оно является случайным, хаотичным во времени, частицы находятся в возбужденном состоянии 10^-8 с (рис. 1.6.1а).

Метастабильными уровнями называются уровни, где спонтанный переход маловероятен (атом находится в возбужденном состоянии 10^-3с). Атомы легко переходят в невозбужденное состояние, если взаимодействуют с фотонами, энергия которых равна разности дозволенных энергетических состояний возбужденной и невозбужденной частицы. Такое излучение называют вынужденным или индуцированным. При индуцированном излучении возникают два фотона одинаковой частоты и фазы, распространяющиеся в одном направлении. Эти фотоны могут вызвать новые вынужденные переходы в других атомах и количество квантов должно было бы возрастать (рис. 1.6.1б). Распределение частиц по энергетическим уровням описывается законом Больцмана (рис.1.6.2). Из графика видно, что наибольшее число частиц находится в невозбужденном состоянии, т.е. больше фотонов поглощается. В такой среде усиления не происходит. Усиление электромагнитных волн можно вызвать, создав активную среду, в которой хотя бы для двух уровней было распределение частиц обратное больцмановскому - так называемую инверсную заселенность. Это условие создается в квантовых генераторах. Советские ученые Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, Ч. Американец Таунс в 1955 году сконструировали независимо друг от друга первый молекулярный квантовый генератор (мазер). В 1960 году были созданы рубиновый и гелий-неоновый квантовые генераторы - лазеры.

Гелий-неоновый лазер представляет собой газоразрядную трубку из кварцевого стекла диаметром около 7 мм. В ней находится смесь неона и гелия (в соотношении 1:10) при давлении 1 мм. рт. ст. В трубку вмонтированы два электрода (Э) и два плоских зеркала (1, 2), одно из которых полупрозрачное (рис. 1.6.3).

В атоме неона реализуется Больцмановское заселение энергетических уровней. Для получения инверсной заселенности используются атомы гелия. Возбужденный уровень гелия (2) совпадает с 3-м невозбужденным метастабильным уравнением неона. Возбуждение атома гелия осуществляется электрическим разрядом между электродами.

При соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит безизлучательная передача энергии последнему. Электрон в атоме неона переходит с 1 на 3 уровень. Для разгрузки второго уровня диаметр трубки подбирают таким образом, чтобы атомы неона, ударяясь о стенку, безизлучательно отдавали энергию и электроны переходили со 2-го на 1-й энергетический уровень. Таким образом добиваются инверсной заселенности 2 и 3 уровня неона (рис. 1.6.4).

Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, сами вызывают вынужденные переходы. При этом пучок фотонов, перпендикулярный зеркалам, будет испытывать наибольшее усиление (многократно отражаясь от зеркал) и выходить наружу через полупрозрачное зеркало 2.

Уровни 2 и 3 имеют множество подуровней, поэтому гелий-неоновые лазеры могут работать на 30 длинах волн. Для получения монохроматического индуцированного излучения зеркала 1 и 2 делают с многослойными покрытиями. За счет интерференции создаются условия для усиления только одной заданной длины волны.

Свойства лазерного излучения - монохроматичность, большая мощность, узкий пучок, когерентность. Это позволяет использовать лазеры в медицине и других областях для следующих целей:

1. Измерение больших расстояний с высокой точностью;

2. В голографии;

3. Как средство связи;

4. Для сварки и резки различных материалов;

5. Применение в медицине:

При появлении лазеров, в связи с широкими перспективами их использования перед современной медициной встал ряд совершенно новых задач.

1. Всестороннее изучение влияния лазерного излучения на различные клетки, ткани, органы, системы человеческого организма в целом.

2. Изучение возможности применения лазера с лечебными целями в медицинских специальностях.

3. Разработка профилактических и лечебных мероприятий против возможного вредного действия лучей лазеров на организм человека.

Вопрос о механизме действия лазеров на биологические объекты еще далек от своего решения, в нем слишком много неясного.

Факторы действия:

1. Температурный (температура самого луча и температура ткани за счет поглощения энергии излучения).

2. Механическое воздействие лазерного излучения (ультразвуковые волны, ударные волны).

3. Ядовитые вещества, образуемые в ткани в результате действия лазерного излучения.

Эффект биологического действия лучей лазера зависит:

1. От особенностей самого излучения (тип лазера, энергия, плотность энергии, длительность и частота импульсов).

2. От физико-химических и биологических особенностей облучаемых тканей и органов (степень пигментации, кровоснабжение, теплопроводность и т.д.).

Применение в медицине:

1.Офтальмология - отслойка сетчатки, диагностика глаукомы, катаракты.

2.В терапии - консервативное лечение язв желудка, двенадцатиперстной кишки и др.

3.В хирургии:

а) при резекции печени и селезенки

б) при остановке кровотечения

в) при удалении полипов

г) при резке и сварке тканей

4. В гинекологии:

а) при лечении предраковых заболеваний влагалища, шейки матки,

б) при пластических операциях на маточных трубах, у женщин, страдающих бесплодием,

в) при удалении различных опухолей в половых органах.

5. В пластической хирургии и косметологии - для удаления кожных опухолей, татуировок, дефектов лица и головы.

6. После лазерного разреза отек и воспаление тканей невелики, что дает возможность использования его в урологии при операциях на мочеточниках, мочевом пузыре, предстательной железе и уретре.

7. Отоларингология - при удалении полипов, сосудистых опухолей носа, новообразований глотки.

8. Нейрохирургия - при операциях на головном мозге, микрохирургия (сшивание мелких сосудов, нервов, сухожилий).

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

В 1895 году Рентген обнаружил, что если через стеклянную трубку с двумя впаянными электродами, из которой выкачан воздух до давления 10^-3 мм рт. ст., пропустить электрический ток, то анод выделяет особые, неизвестные до тех пор, невидимые глазом лучи. Он назвал их C-лучами. В России и во многих других странах их стали называть рентгеновскими лучами. Рентген, исследуя их свойства, обнаружил следующее:

1. Они обладают сильной проникающей способностью, которая зависит от природы вещества и толщины его. Благодаря этому свойству они получили широкое распространение в медицине и промышленности.

2. Вызывают свечение (люминесценцию) некоторых тел. С помощью экранов из таких веществ их можно наблюдать.

3. Оказывают действие на фотопленку (фотохимическое действие).

4. Способны активно ионизировать воздух и другие вещества.

5. Оказывают биологическое действие на ткани организма, что нашло применение в лечении злокачественных опухолей.

Однако природу рентгеновских лучей сам Рентген не раскрыл. Многие исследователи находили сходство между рентгеновскими лучами и световыми - они распространялись прямолинейно и не отклонялись ни в электрическом, ни в магнитном поле. Но, если предположить одинаковую природу света и рентгеновских лучей, то рентгеновские лучи должны были бы обладать волновыми и квантовыми свойствами. Однако дифракцию рентгеновских лучей долгое время получить не удавалось. В 1910 году П.Н. Лебедев предложил использовать в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей естественные кристаллы, а в 1912 году немецкий физик Лауэ выполнил этот опыт. Поток рентгеновского света направлялся через диафрагму на кристалл, при этом на экране или фотопленке вокруг центрального светлого пятна (недифрагировавшие лучи) возникал ряд светлых точек, расположенных в определенном порядке (рис. 1.7.1).

Расстояние между атомами кристаллической решетки, порядка 1А⁰, соизмеримо с длиной волны и эти промежутки являются центрами вторичных волн, которые, дифрагируя, дают максимумы в виде белых пятен. Но т.к. атомы расположены не строго один около другого как щели дифракционной решетки, то максимумы расположены в сложном порядке, нежели в дифракционной решетке. Такая картина называется лауэграммой. Этот опыт показал, что рентгеновские лучи имеют волновую природу.

Опыт Лауэ позволил использовать дифракцию рентгеновских лучей:

1. Для определения длины волны, зная расстояние между атомами.

2. Для определения структуры веществ по лауэграмме, зная длину волны рентгеновских лучей.

Метод изучения молекулярных структур, т.е. определение положения атомов в молекуле и их природы с помощью рентгеновских лучей, получил название рентгеноструктурный анализ. Для исследования биологических структур могут быть использованы различные явления взаимодействия рентгеновского излучения с веществом: поглощение, рассеяние и дифракция, инактивация (изменение структуры молекул и функций их составных частей под действием рентгеновского излучения). Метод рассеяния и дифракции рентгеновских лучей использует их волновые свойства. Рентгеновские лучи, рассеиваемые атомами, входящими в состав молекул, интерферируют и дают картину - лауэграмму, на которой положение и интенсивности максимумов зависят от положения атомов в молекуле и от взаимного расположения молекул. Если молекулы расположены хаотически, например в растворах, то рассеяние не зависит от внутренней структуры молекул, а в основном от их размеров и формы.

В дальнейшем были изучены и другие свойства рентгеновских лучей:

1. Интерференция.

2. Преломление.

3. Полное внутреннее отражение.

4. Поляризация.

5. Спектральный состав.

6. Взаимодействие с веществом.

Получают рентгеновские лучи с помощью рентгеновской трубки. Она состоит из стеклянного баллона с возможно высоким вакуумом (10^-6- 10^-7 мм рт.ст.), в котором находятся два электрода. Катод - является источником электронов и выполняется в виде спирали. Анод состоит из массивного медного стержня, на торцевом срезе которого расположена пластина из вольфрама (зеркальце анода). Электроны разгоняются в электрическом поле и взаимодействуют с зеркальцем анода.

В результате взаимодействия образуется поток рентгеновских лучей. Вся трубка окружена свинцовым кожухом, имеется лишь небольшое окно для выхода излучения. Т.к. анод при работе сильно разогревается, его охлаждают водой или маслом. В некоторых трубках анод делают вращающимся.

Длина волны рентгеновских лучей от 0,001 до 2 нм. Рентгеновское излучение характеризуется интенсивностью и жесткостью.

Интенсивность - это величина энергии, которую несут рентгеновские лучи, через площадь 1 см² за 1 с.

Жесткость рентгеновского излучения определяется его способностью проходить через вещество, а проникающая способность зависит от длины волны.

Рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия потока электронов с атомами зеркальца анода. Двигающийся направленно электрон можно представить электрическим током. Попадая в электрическое поле атома, движение электрона замедляется, что соответствует уменьшению тока. Уменьшение тока вызовет изменяющееся магнитное поле вокруг электрона, а изменяющееся магнитное поле наведет в смежных точках изменяющееся электрическое поле и т.д., т.о. при торможении электрона атомом возникает электромагнитная волна.

Существует и квантовая теория, объясняющая возникновение тормозного рентгеновского излучения. Кроме круговых или эллиптических стационарных орбит, называемых периодическими, существуют и не замкнутые орбиты электронов (параболические, гиперболические), по которым может двигаться электрон, не излучая и не поглощая энергии.

Подлетая к атому со скоростью u₁, электрон двигается по стационарной не замкнутой орбите с энергией Е₁, тормозясь, он переходит на другую стационарную орбиту с энергией Е₂, при этом излучается квант энергии.

Начальная кинетическая энергия электрона зависит только от ускоряющего напряжения mu₁²/2=eU и есть величина постоянная. Конечная энергия в зависимости от условий торможения может принимать любые значения от mu₁²/2 до 0. Следовательно, энергия излученного кванта может быть любой в промежутке от 0 до mu₁²/2. Спектр излучения сплошной, ограниченный со стороны коротких длин волн.

hn = (mu₂²)/2-(mu₁²)/2

Минимальная энергия кванта определяется из этого уравнения, если (mu₂²)/2=0, тогда hn_min=(mu₁²)/2 или (hc)/l_max=eU, откуда l_max=(hc)/(eU).

Электрон, взаимодействуя с атомом анода, может удалить орбитальный электрон с ближайшей к ядру орбиты K, L, M на более отдаленную или вообще за пределы атома. На освободившееся место перейдет электрон с более удаленной орбиты. При этом излучается квант рентгеновского излучения, длина волны которого определяется разностью дозволенных энергетических состояний атома (hn=E₂–E₁). Следовательно, излучение может быть только определенных длин волн, спектр такого излучения будет линейчатым, а излучение называют характеристическим.

При бомбардировке вещества анода электронами существуют оба вида излучения. Спектр излучения сложный.

Рассмотрим схему рентгеновского аппарата.

В состав рентгеновского аппарата входят следующие узлы:

1. Рентгеновская трубка (РТ)

2. Повышающий трансформатор (ТР₂).

3. Понижающий трансформатор (ТР₁).

4. Автотрансформатор (АТР).

5. Высоковольтный выпрямитель (В).

Первичная обмотка повышающего трансформатора питается от сети переменного тока через автотрансформатор. Автотрансформатор служит для регулировки напряжения между анодом и катодом. Изменение напряжения изменяет длину волны l_min=1,24/U, а длина волны характеризует жесткость излучения, т.о. автотрансформатор служит для регулировки жесткости рентгеновского излучения. Напряжение между анодом и катодом рентгеновской трубки в медицинских рентгеновских аппаратах до 60 кВ, в промышленных - 200–250 кВ.

Питается трубка постоянным током. В качестве выпрямителя используются высоковольтные диоды или кенотроны, используются однополупериодные и двухполупериодные схемы.

Для питания накала трубки служит понижающий трансформатор ТР₁. В первичную цепь этого трансформатора ставится реостат R. Изменяя сопротивление, мы изменяем ток накала катода, а следовательно, его температуру и число испускаемых электронов. Число электронов характеризует интенсивность рентгеновского излучения, т.о. реостат R служит для изменения интенсивности излучения, которая определяется следующей формулой:

Ф=kJU²Z, где J - анодный ток, U - напряжение между катодом и анодом трубки, Z - порядковый номер вещества зеркальца анода.

Защита от воздействия рентгеновского излучения, даваемого лечебными и диагностическими аппаратами, сводится к следующему:

1. Экранизация источника излучения. Рентгеновская трубка самозащитная. Камера закрывается свинцовыми листами.

2. Индивидуальная защита обслуживающего персонала (фартук, перчатки, стекло экрана делается из просвинцованного материала).

3. Охраняются законом (меньший рабочий день, дополнительный отпуск, спецпитание и др.)

При взаимодействии рентгеновских лучей с веществом, часть их отражается от поверхности, часть проходит через вещество без взаимодействия, часть проходит вовнутрь вещества, взаимодействуя с атомами. При этом могут возникнуть три случая взаимодействия.

1. Если фотон не обладает достаточной энергией для перевода орбитального электрона на более высокий энергетический уровень, то взаимодействие происходит путем упругого соударения, изменяется направление фотона, а энергия и длина волны остаются прежними h n ₁ = h n ₂ Это взаимодействие называется когерентным или классическим рассеянием.

2. Если энергия кванта равна или незначительно превышает работу выхода электрона из металла, то при взаимодействии возникает фотоэффект, энергия фотона затрачивается на работу по выходу электрона из атома и сообщение ему кинетической энергии. hn₁=A_вых+(mu²)/2

Если энергия меньше работы выхода, но достаточна для того, чтобы перевести электрон с одной орбиты на другую (с более высоким энергетическим уровнем), то может произойти излучение в видимой части спектра, рентгенолюминесценция или активация молекул.

Оба вида взаимодействия объединены общим названием - истинное поглощение.

3. Если энергия фотона значительно превышает работу по выходу электрона, что более характерно для жесткого коротковолнового излучения и внешних электронов атома, то при взаимодействии фотон отдает часть энергии (рис. 1.7.7.в). Возникает фотон с меньшей энергией и фотоэлектрон отдачи. Это явление называется некогерентным рассеянием или комптон-эффектом. Комптон-эффект можно описать формулой: h n ₁ = A _вых + (m u ²) / 2 + h n ₂

Возникающие новый фотон и электрон называют вторичным излучением. Вторичное излучение может вызывать новые реакции (когерентное рассеяние, истинное поглощение, комптон-эффект) с образованием третичных электронов, квантов и т.д. В результате всех этих процессов возникает ионизация вещества и излучение с большей длиной волны, которое рассеивается по всем направлениям.

Параллельный поток рентгеновских лучей при прохождении через вещество ослабляется. Ослабление подчиняется закону Бугера: Ф = Ф₀e ^{– m d}

Ф₀ - поток, падающий на вещество, Ф - поток, прошедший через вещество, m - линейный коэффициент ослабления, d - толщина слоя вещества.

Для рентгеновского излучения применяемого в медицине с энергией фотонов 150-200 кэВ при глубокой терапии; 60-100 кэВ при диагностике; коэффициент ослабления определяется по формуле: m=krl³Z³

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, r - плотность вещества, Z - порядковый номер элемента, l - длина волны излучения.

Если на пути рентгеновского излучения поместить неоднородное вещество, то на флюоресцирующем экране получим тени отдельных деталей вещества. Таким неоднородным веществом является организм человека. Просвечивая его рентгеновскими лучами, по форме и размерам, а так же по интенсивности теневого изображения, судят о нормальном или патологическом состоянии органов. Такой метод диагностики заболеваний носит название рентгенодиагностики.

Существует два основных метода рентгенодиагностики: рентгеноскопия и рентгенография. При рентгеноскопии теневое изображение органов наблюдается на люминесцентном экране. На экране более плотные ткани (сердце, кровеносные сосуды) видны темными, мало поглощающие ткани (легочные поля) – светлыми.

При рентгенографии теневое изображение фотографируют на фотопленку. Изображение получают негативное (обратное) по отношению к изображению на экране.

Кроме основных методов используются специальные приемы рентгенодиагностики.

1. Контрастная рентгенография. Для получения более контрастного изображения используются особые вещества, вводимые в ткани - отрицательные контрастные вещества (воздух, кислород) используются в плотных тканях (головной мозг), положительные контрастные вещества (соли бария, коллоиды на основе йода) для мало поглощающих тканей.

2. Флюорография. Фотографирование рентгеновского изображения с экрана на пленку небольшого формата. Экран, оптика и пленка с фотокамерой объединяются в большую светонепроницаемую систему, что позволяет делать съемку в незатемненном помещении. Этот метод применяется для массового обследования населения.

3. Электрорентгенография отличается от обычной рентгенографии способом получения изображения; при этом методе пучок рентгеновских лучей, прошедших через тело пациента, направляется на предварительно зараженную селеновую пластину.

Прошедшие через организм рентгеновские лучи, изменяют потенциал пластины на разных ее участках, соответственно интенсивности попадающего на эти участки излучения - на пластинке возникает «скрытое электрическое изображение». Для «проявления» изображения селеновую пластинку напыляют графитовым порошком, который притягивается к тем местам, где сохранился заряд и не задерживается в тех местах, которые потеряли заряд под действием рентгеновских лучей. Это изображение легко переносится на обычную бумагу. После стирания порошка пластину можно использовать вновь. На одной пластине можно провести более 1000 снимков. Главные достоинства электрорентгенографии состоит в том, что она позволяет быстро получить снимки без затрат фотопленки, без мокрого фотопроцесса, без затемнения и обладает более высокой разрешающей способностью.

4. Рентгеновская компьютерная томография. Этот метод заключается в перемещении рентгеновской трубки по определенной траектории, для фотографирования объекта с различных положений. При этом на фотопленке изображение также перемещается. Однако съемка производится таким образом, что рентгеновский луч всегда проходит одну и ту же точку О. Если перемещать эту точку, то на снимке можно получить послойное теневое изображение (томография – послойная запись). Чтение таких изображений довольно сложное. Помогает врачу в этом вопросе вычислительная техника, поэтому добавляется слово компьютерная томография. Рентгеновская компьютерная томография позволяет получать изображение с деталями около 1 мм, различаются по контрастности два образования с разностью в поглощении около 0,1 %.

5. Рентгенотелевидение. С помощью специальных фотоусилителей рентгеновского изображения (УРИ) регистрируют и усиливают слабое изображение на экране и, используя передающую телевизионную аппаратуру, получают изображение на экране телевизора. Изображение на экране телевизора значительной яркости, обеспечивает выявление сравнительно малых деталей объекта, позволяет производить фото - и киносъемку.

Рентгеновские лучи используют для «лечения» злокачественных новообразований - рентгенотерапия. При облучении живых тканей рентгеновскими лучами изменяется функциональное состояние клеток. Первичный эффект воздействия рентгеновских лучей на вещество - ионизация. Выявлено, что при летальных дозах в клетке образуется около 1 млн. ионов (всего в клетке 10¹⁴ атомов). При первичном размене энергии никаких видимых структурных изменений в атомах и молекулах не происходит. Современная физиология рассматривает первичные эффекты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом (в том числе и рентгеновского) в двух аспектах: взаимодействие с молекулами воды в водных растворах и действие на органические соединения.

В водных растворах образуются радикалы (ОН^-, Н⁺), гидроперекисные и перекисные соединения (Н₂О₂), обладающие большой химической активностью. При воздействии на органические соединения образуются возбужденные молекулы, радикалы, ионы, перекиси, которые так же в химическом отношении весьма активны. Т.о., первичное взаимодействие происходит по физическим законам возбуждения и ионизации молекул.