Открытие Рентгена

Содержание:

 

 

Введение           2

 

1. Открытие Рентгена         3

 

2. Строение атома         6

 

3. Доза излучения         10

 

4. Ослабление рентгеновского  и γ-излучения веществом  12

 

5. Основной закон радиационной  дефектоскопии    15

 

6. Физико-технические основы радиографического контроля. 17

 

7. Рентгеновские аппараты  и радиографическая пленка  20

 

8. Типовая промышленная  рентеген-лаборатория на примере  лаборатории «ОКБ «Новатор»       27

 

9. Требования  методических документов по радиационному  контролю           29

 

10. Радиационная  безопасность       31

 

Заключение          33

 

Список литературы         34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

С точки зрения физики рентгеновским называется электромагнитное излучение с длинами волн от 0,001 до 50 нанометров (10^-9m). Рентгеновские лучи по своей природе - близкие родственники солнечного ультрафиолета. Если солнечные лучи расположить по «росту», то самыми длинными, а точнее длинноволновыми, окажутся радиоволны. Далее следует инфракрасный свет. Мы его не видим, в отличие от некоторых животных, но можем ощущать его как тепло. Далее по степени снижения «роста» следуют известные нам еще по детской считалочке красный-оранжевый-желтый-зеленый-голубой-синий-фиолетовый. Следом идет ультрафиолет, который специалисты делят на A-, B- и C-ультрафиолет. Самый длинноволновой из них (ультрафиолет A) получил «прописку» в соляриях, где с успехом используется человеком для получения искусственного загара. Следом за ультрафиолетовым спектром электромагнитных излучений как раз и расположены рентгеновское и гамма-излучения.

Одно из важнейших  свойств рентгеновского излучения, его способность, как и у видимого света,  вызывать почернение фотопленки. Это свойство имеет огромное значение для медицины, промышленности и научных  исследований. Проходя сквозь объект исследования, а затем падая на фотопленку, рентгеновское излучение отображает на ней его внутреннюю структуру. Так как проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, то менее прозрачные для него части объекта контроля дают более светлые участки на фотоснимке чем те, через которые излучение проникает хорошо. Именно на этом свойстве основан один из видов неразрушающего контроля – рентген-дефектоскопия.

Радиографический контроль является одним из наиболее информативных методов дефектоскопии и широко применяется для контроля опасных производственных объектов. Наибольшее распространение получил радиографический метод контроля качества сварных соединений при изготовлении, монтаже, эксплуатации и ремонте в атомной промышленности, нефтяной и газовой отраслях, машиностроении, на взрывопожароопасных и химически опасных производствах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Открытие Рентгена.

 

В конце XIX века, резко поднялся интерес к явлениям прохождения электричества через газы. Еще Фарадей серьезно занимался этими явлениями, описал разнообразные формы разряда, открыл темное пространство в светящемся столбе разреженного газа. Фарадеево темное пространство отделяет синеватое, катодное свечение от розоватого, анодного.

Дальнейшее увеличение разрежения газа существенно изменяет характер свечения. Математик Плюкер (1801—1868) обнаружил в 1859г.,при достаточно сильном разрежении слабо голубоватый пучок лучей, исходящий из катода, доходящий до анода и заставляющий светиться стекло трубки. Ученик Плюкера Гитторф (1824—1914) в 1869 г. продолжил исследования учителя и показал, что на флюоресцирующей поверхности трубки появляется отчетливая тень, если между катодом и этой поверхностью поместить твердое тело.

Гольдштейн (1850—1931), изучая свойства лучей, назвал их катодными лучами (1876 г.). Через три года Вильям Крукс (1832—1919) доказал материальную .природу катодных лучей и назвал их “лучистой материей”—веществом, находящимся в особом четвертом состоянии. Его доказательства были убедительны и наглядны. Опыты с “трубкой Крукса” демонстрировались позже во всех физических кабинетах. Отклонение катодного пучка магнитным полем в трубке Крукса стало классической школьной демонстрацией.

Однако опыты по электрическому отклонению катодных лучей не были столь убедительными. Герц не обнаружил такого отклонения и пришел к выводу, что катодный луч — это колебательный процесс в эфире. Ученик Герца Ф. Ленард, экспериментируя с катодными лучами, в 1893 г. показал, что они проходят через окошечко, закрытое алюминиевой фольгой, и вызывают свечение в пространстве за окошечком. Явлению прохождения катодных лучей через тонкие металлические тела Герц посвятил свою последнюю статью, опубликованную в 1892 г.: “…Катодные лучи отличаются от света существенным образом в отношении способности проникать через твердые тела”. Описывая результаты опытов по прохождению катодных лучей через золотые, серебряные, платиновые, алюминиевые и т.д. листочки, Герц отмечает, что он не наблюдал особых отличий в явлениях. Лучи проходят через листочки не прямолинейно, а дифракционно рассеиваются. Природа катодных лучей все еще оставалась неясной.

Именно с такими трубками Крукса, Ленарда и других, и экспериментировал  профессор Вильгельм Рентген  в конце 1895 г.

Рентген Вильгельм Конрад  родился 17 марта 1845 г.  в городе Ленепе, пограничной с Голландией области Германии,. Он получил техническое образование в Цюрихе в той же Высшей технической школе, в которой позже учился Эйнштейн. Увлечение физикой заставило его после окончания школы в 1866 г. продолжить физическое образование. 

Защитив в 1868 г. диссертацию  на степень доктора философии, он какое то время работал ассистентом  на кафедре физики сначала в Цюрихе, потом в Гисене, а затем в  Страсбурге (1874-79) у Кундта. Здесь  Рентген прошел хорошую экспериментальную школу и стал первоклассным экспериментатором. Он производил точные измерения отношения Ср/Су для газов, вязкости и диэлектрической проницаемости ряда жидкостей, исследовал упругие свойства кристаллов, их пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства, измерял магнитное поле движущихся зарядов (ток Рентгена). Часть важных исследований Рентген выполнил со своим учеником, одним из основателей советской физики А. Ф. Иоффе. Его научные исследования относились к электромагнетизму, физике кристаллов, оптике, молекулярной физике. С 1900 г. и до последних дней жизни (10 февраля 1923 г.) он работал в Мюнхенском университете

Рентген открыл излучение  в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского  университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным картоном. Тщательное исследование показало Рентгену, “что черный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим флюоресценцию”. Рентген исследовал проникающую способность этого “агента”, который он для краткости назвал “Х-лучи”, для различных веществ. Он обнаружил, что лучи свободно проходят через бумагу, дерево, эбонит, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом.

Он предложил правильную конструкцию трубки для получения  Х-лучей — наклонный платиновый антикатод и вогнутый катод: Рентген первый сделал фотоснимки при помощи рентгеновских лучей, а также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. Эти снимки произвели огромное впечатление; открытие еще не было завершено, а уже начала свой путь рентгенодиагностика. “Моя лаборатория была наводнена врачами, приводившими пациентов, подозревавших, что они имеют иголки в разных частях тела”,— писал позже английский физик Шустер.

Уже после первых опытов Рентген твердо установил, что Х-лучи отличаются от катодных, они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем, однако возбуждаются катодными лучами. “...Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки”,— писал Рентген. Он установил также, что они возбуждаются не только в стекле, но и в металлах.

За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств  и возможностей применения этого  излучения. Большой вклад внесли М.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л.Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.

Сам же Рентген, в 1901 году, первым среди физиков получил  Нобелевскую премию, за открытие лучей, носящих его имя. Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Строение атома.

 

Атом представляет собой  электродинамическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов, движущихся по стационарным круговым орбитам с определенными радиусами. Электрон представляет собой отрицательно заряженную частицу, заряд которой по абсолютной величине e=1,6-10^-19 Кл.  Размер атома составляет порядка 10^-8 см, а размер ядра 10^-13 см.

 

Рис 2.1 Строение атома

 

Электроны в атомах расположены  на определенных энергетических уровнях (K, L, M, N…). Чем ближе электрон расположен к ядру, тем выше энергия связи электрона с ядром, тем больше энергии нужно затратить для вырывания электрона из атома.

В нормальном состоянии  атом нейтрален. Атом изучает или  поглощает энергию только в случае перехода из одного энергетического  состояния в другое. В результате соударения с другим атомом, с заряженной частицей или при поглощении фотона атом может перейти в возбужденное состояние. При переходе из возбужденного состояния в невозбужденное атом испускает кванты определенной энергии, которая зависит от схемы электронных переходов.

Ядро атома состоит  из протонов и нейтронов (нуклонов). Протон – элементарная частица, обладающая единичным положительным зарядом. Нейтрон – элементарная частица, не обладающая зарядом.

Отношение массы протона m_p к массе электрона m_e примерно равно отношению массы нейтрона m_n к массе электрона и составляет

 

m_p/m_e≈m_n/m_e≈1836

 

При определенных условиях протон может превращаться в нейтрон  и наоборот.

Позитрон – элементарная частица, обладающая той же массой, что и  электрон, но несущая заряд противоположного знака.

Нейтрино – элементарная частица, не имеющая электрического заряда.

Суммарное число нейтронов и  протонов в ядре называется массовым числом (А).

A=Z+N

 

где:

Z – число протонов в ядре (номер элемента в периодической таблице Менделеева);

N – число нейтронов в ядре.

Число протонов в ядре определяет заряд ядра:

 

q_я=Z*e

 

 

где:

e – величина элементарного заряда.

 

Движущиеся вокруг ядра электроны образуют электронные  оболочки, которые состоят из подоболочек, находясь на которых электроны обладают различной, но строго определенной энергией Ei. Эта энергия складывается из кинетической энергии их движения и потенциальной энергии электростатического взаимодействия с ядром.

Для того чтобы удалить  электрон из оболочки атома, необходимо затратить определенную энергию E (энергия связи).

В атоме имеются свободные  оболочки и подоболочки, не занятые  электронами, на которые электрон может  быть переведен с занятой оболочки, если сообщаемой электрону энергии  недостаточно для его удаления из атома.

Видимый свет возникает в результате переходов электронов между внешними оболочками атома. Для этого необходимо перевести электрон атома с внешней на свободную оболочку, например, путем нагрева вещества.

Рентгеновские лучи возникают  в результате перехода электронов между внутренними оболочками. Если с K-оболочки атома удалить электрон, то его место займет электрон с более отдаленной от ядра подоболочки.

При этом выделяется квант  энергии, величина которого равна разности энергии связи этих уровней. Образующиеся в результате таких переходов набор квантов излучения определенных энергий образует характеристический спектр рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи могут  возникать также в результате неупругого рассеяния и торможения электронов в веществе. Образовавшиеся рентгеновские фотоны имеют непрерывный спектр энергий от нулевой до максимальной первоначальной энергии электрона, который тормозится в поле действия ядра вещества мишени.

 

Естественная  радиоактивность