Физик Вильгельм Рентген открыл «рентгеновские лучи. Рентгеновское излучение и его открытие

Несмотря на то, что с момента открытия рентгеновских лучей прошло уже больше сотни лет, этот научный прорыв до сих пор считается одним из самых серьезных событий в области медицины, позволивший перевести процесс диагностики множества разнообразных заболеваний на принципиально новый уровень. Сложно себе представить, но до 1895 года у врачей не было никакой другой возможности заглянуть внутрь живого человеческого тела безоперационным путем.

Разумеется, это серьезно осложняло процесс лечения, да и определить наличие многих заболеваний было практически невозможно. Именно по этой причине медицина того времени достаточно ненадежна, а врачи очень часто не могли дать никаких гарантий своим пациентам. Но все это изменилось 8 ноября 1895 года благодаря работе одного из самых трудолюбивых и талантливых физиков 19 века - Вильгельма Конрада Рентгена. Но обо всем по порядку, ведь сама личность ученого заслуживает не меньше внимания, чем его главное открытие.

Долгий путь Вильгельма Конрада Рентгена

Стоит отметить, что это помогло ему получить в свое распоряжение самое современное оборудование для исследований, а также достаточно времени для работы, которое он не стал тратить впустую.

Уникальное открытие, которое перевернуло мир

Ученый продолжал эксперименты в течение нескольких часов, и в процессе его рука также попала в зону действия луча. То, что увидел ученый, шокировало его - он видел свою руку насквозь, а непрозрачными остались только кости.

Спустя несколько дней напряженных исследований он сделал первый в мире рентгеновский снимок, сфотографировав X-лучами руку своей жены Берты. За этим последовало еще множество разнообразных экспериментов, суть которых он раскрыл в своей научной работе, получившей большую популярность в физико-медицинском научном сообществе.

Это открытие произвело настоящий фурор, и новые лучи назвали рентгеновскими в честь их первооткрывателя. Сама ученый отнесся к своему открытию достаточно спокойно, и будучи человеком обстоятельным и последовательным, начал активно исследовать особенности и потенциальные сферы применения своего открытия. Уже через год он узнал о большинстве особенностей данных лучей. За свою работу в 1901 году Рентген получил Нобелевскую премию в области физики.

Значение открытия рентгеновских лучей

Стоит также отметить, что открытие Рентгена оказалось настолько значимым и важным, что и по сей день, данные лучи используют во многих сферах жизни. Их активно применяют в ювелирном деле для определения подлинности драгоценных камней, в искусстве с их помощью можно быстро отличить подлинник от подделки. Важнейшую роль рентгеновские лучи играют в вопросах безопасности, ведь с их помощью на таможенных зонах и в аэропортах стало намного проще анализировать содержимое большого количества багажа на предмет оружия или взрывчатки. Также эти лучи применяются во многих сферах промышленности и науки, благодаря чему открытие Вильгельма Рентгена заслуженно можно считать одним из самых значимых достижений всех времен в области физики.

Идет уже 122 год со дня памятной даты гениального достижения В.К.Рентгена, но даже столь длительное время не смогло уменьшить значимость того щедрого подарка, который он сделал человечеству. История открытая рентгеновского излучения весьма поучительна и очень характерна для других величайших прорывов золотого века расцвета европейской науки. Его одновременно можно назвать как случайным, так и логичным, поскольку блуждая, в сущности, в потемках, немецкий ученый интуитивно чувствовал, что стоит на пороге изобретения, которое перевернет все представления о современной ему физической науке.

Трудно переоценить прикладное значение находки рентгеновских лучей. Ниже мы поговорим о них более подробно, а сейчас просто констатируем факт: по сути, до открытия гениального немца, медицине, за всю свою многовековую историю не удавалось найти способы визуального ознакомления с состоянием внутренних органов человека без применения хирургического вмешательства. Это существенно сокращало возможности проведения более или менее точной диагностики внутренних болезней, а, следовательно, эффективной терапии. Сегодня же рентген настолько вошел в нашу жизнь, что практически является неизменным приложением к слову «диагноз» (если не сказать – синонимом к нему)!

Открытие Рентгена нашло своё применение в различных областях.

Как это произошло?

Итак, год 1895, дата – восьмое ноября. Именно она считается днем открытия рентгеновского излучения. Недавно назначенный ректором Вюрцбургского университета Вильгельм Рентген по привычке задержался в своей физико-химической лаборатории почти до ночи. Выключив перед уходом электрические приборы, он обнаружил, что от одной из пробирок, в которой находилась прозрачная жидкость, исходит зеленоватое свечение. Ученый заметил, что не успел выключить один из опытных аппаратов – это была вакуумная трубка. Тут же исправив свою оплошность, физик увидел, что свечения – как не бывало. Самое интересное заключалось в том, что баночка с жидким содержимым находилась в противоположном конце лаборатории, а это означало, что от вакуумной трубки исходил неведомый доселе луч. Он решил удостовериться в верности своей догадки и стал выставлять на пути луча все, что попадалось под руку: тонкий бумажный лист, более плотный картон, затем стекло, наконец – деревянную доску. Эффект был один и тот же – эти удивительные лучи не признавали никаких преград! Тогда ученого осенило – он поставил еще один заслон, представляющий собой тару, в которой находились уже металлические гири, после чего замер от удивления: сквозь коробку абсолютно точно высвечивались контуры гирь! Забыв о том, что давно пора домой, ученый начал экспериментировать и с другими предметами, но когда случайным образом в зоне действия лучей оказалась его рука, он во всех деталях увидел внутреннюю ее часть – лишь костные структуры оставались непрозрачными. Так было обнаружено рентгеновское излучение – естественно, в дальнейшем ученый назвал таинственные лучи своим именем.

Открытие Рентгена на практике

Не один год настойчиво продолжая эксперименты, ученый пытался не только докопаться до физической сути своего изобретенья, но и выяснить, какое прикладное значение будет иметь применение рентгеновского излучения? В этом ему помогали лучшие светила отрасли, и результаты не замедлили сказаться: обнаружение рентгеновских лучей дало мощный импульс развитию целых направлений естественных наук и отраслей прикладной инженерии. Именно при помощи рентгеновских излучений сегодня обеспечивается наша безопасность в аэропортах и железнодорожных вокзалах, а ювелирам и искусствоведам позволяет отличить оригинальные изделия и предметы живописи от подделок.

Однако наиболее ценным изобретение оказалось для медицинской науки, положив начало одной из ее ответвлений — рентгенологии. Ввиду того, что рентгеновские лучи, в отличие от иных форм электромагнитных излучений, имеют очень небольшую длину волны, они обладают гораздо большей энергией и проницающей способностью, и буквально просвечивают насквозь внутренние структуры человеческого тела.

Рентген применяли при лечении рака, туберкулёза и других заболеваний.

Применение рентгеновских лучей в медицине

Если на заре использования рентгеновских лучей врачи в основном занимались определением переломов, то из года в год исследуемые заболевания становились все разнообразнее. Сегодня облучение рентгеном помогает не только обнаружить любую проблему, связанную с проблемами внутренних органов (этим занимается рентгенодиагностика), но и позволяет лечить серьезнейшие недуги, в частности – некоторые злокачественные новообразования (тут на помощь приходит рентгенотерапия).

В первом случае используются новейшие инновационные технологии типа обычной или осевой компьютерной томографии с получением цветных изображений внутренних органов человека в нужных проекциях.

При помощи рентгеновской съемки решаются и такие важные стоматологические проблемы, как обнаружение кариесов и воспалительных процессов в основаниях зубов. При проведении рентгенотерапии облучение лучами служит достижению следующих целей:

• уничтожению раковых клеток и предотвращению их развития;
• уменьшению параметров злокачественных новообразований, в частности – их размеров;
• снятию болевых синдромов.

Кроме того, рентгеновские лучи широко применяются при мониторинге метаболических процессов в организме, а также весьма продуктивно используются в комбинации с физиотерапевтическими процедурами. Правда, здесь необходимо соблюдать одно важное правило: не использовать эти две манипуляции в один и тот же день, в противном случае облучающая нагрузка на систему кроветворения может стать непомерно высокой. Единственной безопасной процедурой в день, когда проводится рентген – исследование, является ингаляция.

На сегодняшний день рентгеновские лучи применяются во многих отраслях науки и техники.

Так ли все радужно на самом деле?

Исследования на рентгеновском аппарате имеют свою специфику. Дело в том, что неправильное использование этих чудодейственных лучей может оказать негативное воздействие на человека, а неправильная дозировка просто опасна для жизни. Сам великий ученый и его современники еще не ведали об этом и не пользовались мерами защиты, поэтому некоторые из них получили не совместимые с жизнью ожоги. Только много лет спустя специалисты начали рассчитывать и устанавливать предельно допустимые пороги для облучения отдельных органов, параллельно создавая средства предохранения.

Поэтому сегодня радиационный уровень, воздействующий на человека при медицинских обследованиях, в основном достаточно мал по сравнению с теми преимуществами, которые дает точный диагноз, а в некоторых случаях – непосредственная рентгенотерапия. Промежуток времени облучения, как правило, составляет миллисекунды.

В то же время, в каждом индивидуальном случае решение о целесообразности проведения рентгенографии принимает лечащий врач. Особенно актуально это в тех случаях, когда в терапевтических либо диагностических целях необходимо использовать относительно высокие дозы облучений, например – при проведении компьютерной томографии или когда процедура предполагает использования контрастных материалов. При этом, перед назначением рентгена медики обязательно изучают анамнез больного, включая все пройденные им исследования. Помимо этого, при рентгенологических обследованиях существуют определенные ограничения для некоторой категории больных, к которым относятся готовящиеся стать матерью женщины, дети до 15 лет и некоторые другие.

Заключение

Несмотря на некоторые негативные моменты и настоятельную необходимость соблюдения мер предосторожности, значение использования рентгена в медицинских целях не поддается оценке. Свидетельством тому миллионы людей, жизни которых спасло гениальное изобретение Вильгельма Рентгена!

Испускаются при участии электронов, в отличие от гамма-излучения, которое является ядерным. Искусственно рентгеновское излучение создается путем сильного ускорения заряженных частиц и путем перехода электронов с одного энергетического уровня на другой с высвобождением большого количества энергии. Устройства, на которых можно получить - это рентгеновские трубки и ускорители заряженных частиц. Естественными источниками его являются радиоактивно нестабильные атомы и космические объекты.

История открытия

Оно было сделано в ноябре 1895 года Рентгеном — немецким ученым, который обнаружил эффект флуоресценции платино-цианистого бария во время работы катодолучевой трубки. Он описал характеристики этих лучей довольно подробно, включая способность проникать сквозь живые ткани. Они были названы ученым икс-лучами (X-rays), название "рентгеновские" прижилось в России позднее.

Чем характеризуется этот вид излучения

Логично, что особенности данного излучения обусловлены его природой. Электромагнитная волна — вот что такое рентгеновское излучение. Свойства его следующие:

Рентгеновское излучение - вред

Разумеется, в момент открытия и долгие годы после того никто не представлял себе, насколько оно опасно.

Где применяются икс-лучи

1. Медицина. Рентгенодиагностика — “просвечивание” живых организмов. Рентгенотерапия — воздействие на опухолевые клетки.
2. Наука. Кристаллография, химия и биохимия используют их для выявления строения вещества.
3. Промышленность. Выявление дефектов металлических деталей.
4. Безопасность. Рентгеновское оборудование применяют для обнаружения опасных предметов в багаже в аэропортах и других местах.

Положение на шкале электромагнитных волн

Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов - эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения - рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах , либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер . Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 эВ , что соответствует излучению с частотой от 3·10 16 Гц до 6·10 19 Гц и длиной волны 0,005 - 10 (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкий рентген характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткий рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны). Жёсткий рентген используется преимущественно в промышленных целях.

Получение

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 (см. рентгеновская трубка).

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетичных переходах в электронных оболочках атомов или молекул . Оба эффекта используются в рентгеновских трубках, в которых электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, т. к. ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где они резко тормозятся (при этом испускаются рентгеновские лучи: т. е. тормозное излучение) и в то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли : где Z - атомный номер элемента анода, A и B - константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготовляются главным образом из керамики , причём та их часть, куда ударяют электроны, - из молибдена .

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

Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц . Т. н. 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.

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.

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 = I 0 e -kd , где d - толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z ³λ³, 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 флюоресценции .
• 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.

В дополнение к названным процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения - за счёт возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 Мэ В, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения (<250 кэВ)

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 засвечивает 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 (т.е. 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.).

Применение

При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей , а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентген). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z =20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z =1), углерода (Z =6), азота (Z =7), кислорода (Z =8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы , которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.)) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом .

Сноски

Ссылки

• И. П. Пулюй - Украинский исследователь рентгеновского излучения.