Рентген саулелери

Жоспар:

1. Рентген сәулелері. Рентгенталогия.
2. Рентген сәулелерінің ашылуы.
3. Рентген сәулелерінің қасиеттері.
4. Рентген сәулелерінің шашырауы. Комптон құбылысы
5. Дифракциялық әдістер.
1. Құрылымдық кристаллографияның негіздері.

5.2 Рентген сәулелерінің физикасы.

3. Рентгендік техника.
4. Рентген құрылымдық талдаудың әдістері.
5. Рентгендік фазалық талдау .
6. Рентген сәулелерінің қолданылуы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рентген  сәулелер

Рентген сәулесі — гамма және ультракүлгін сәулелер арасындағы диапазонды қамтитын электрмагниттік толқындар. Толқын ұзындығы 2 ангстремнен кіші Рентген сәулесі шартты түрде қатаң, 2 ангстремнен үлкен Рентген сәулесі жұмсақ Рентген сәулесі деп аталады. Рентген сәулесін 1895 ж. неміс физигі В.К. Рентген ашқан. Ол 1895 — 97 ж. Рентген сәулесінің қасиеттерін зерттей отырып, алғашқы рентген түтігін жасады. Рентген сәулесінің түрлі материалдар мен адам денесінің жұмсақ ұлпаларынан өтіп кететіні байқалған соң, оны медицинада кеңінен қолдана бастады. 1912 ж. Рентген сәулесінің дифракциясы ашылып, кристалдардың құрылымы периодты болатыны дәлелденді. 20 ғасырдың 20-жылдары рентгендік спектрлер материалдарға элементтік талдау жасауға, 30-жылдары заттың электрондық энергетик. құрылымын зерттеуге қолданыла бастады. Рентген сәулесі түзілу механизміне байланысты үздіксіз және сызықтық болады. Үздіксіз Рентген сәулесі зарядталған шапшаң бөлшектердің (мысалы, катодтан ұшып шыққан электрондар) нысана атомдарының сыртқы электрондық қабаттармен әсерлесуі нәтижесінде, ал сызықтық Рентген сәулесі — ішкі электрондық қабаттармен әсерлесуі нәтижесінде пайда болады. Рентген сәулесінің затпен әсерлесуі кезінде Рентген сәулесі жұтылады, шашырайды немесе фотоэффект құбылысы байқалады. Заттың белгілі қабаты арқылы өткен Рентген сәулесінің бастапқы қарқындылығы І=Іoe-mx (Мұндағы m — әлсіреу коэффициенті, х — заттың қалыңдығы). Әлсіреу заттың Рентген сәулесін жұтуынан не шашыратуынан болады. Спектрдің ұзын толқын аймағында Рентген сәулесінің жұтылуы, қысқа толқын аймағында — шашырауы басымырақ болады. Рентген сәулесінің жұтылу дәрежесі оның толқын ұзындығының () және элементтің реттік номерінің (Z) артуына байланысты тез өседі. Рентген сәулесінің тірі организмдерге әсері оның тіндерін (ұлпаларын) иондау дәрежесіне қарай пайдалы немесе зиянды болуы мүмкін. Рентген сәулесінің жұтылуыға байланысты болғандықтан, оның қарқындылығы Рентген сәулесінің биологиялық әсерінің өлшемі бола алмайды. Рентген сәулесінің затқа тигізетін әсерінің сандық шамасын есептеумен рентгенометрия айналысады, оның өлшем бірлігі Р (рентген). Рентген сәулесі рентгендік терапия мақсаттары үшін кеңінен қолданылады. Техниканың көптеген салаларында рентгендік дефектоскопия әр түрлі ақауларды, жарықтарды, қуыстарды, пісіру жіктерін, т.б. анықтауға мүмкіндік береді. Рентген құрылымдық талдау кристалл торындағы минерал атомдарының анорганикалық және органикалық қосылыстарының кеңістіктік орналасуын анықтайды. Рентген сәулесін қатты денелердің қасиеттерін зерттеуге қолданумен материалдар рентгенографиясы айналысады. Рентгендік спектроскопия заттардағы электрондардың күйлер тығыздығының энергия шамасы бойынша таралуын, химиялық байланыстың табиғатын зерттейді, қатты денелер мен молекулалардағы иондардың эффекттік зарядын табады. Ғарыштан келетін Рентген сәулесінің көмегімен ғарыштық денелердің химиялық құрамы мен ғарышта өтіп жатқан физикалық процестер туралы деректер алынады (қ. Рентгендік астрономия).

Рентгенология - (В.Рентгеннiң атымен) және грек. logos – iлiм] – клиникалық медицинаның рентген сәулесiнiң көмегiмен органдар мен олардың жүйелерiнiң құрамын, қызметiн зерттеп, аурудың рентгендiк диагностикасын қоятын саласы. Рентгенологиялық зерттеулердiң барлық әдiстерi денеден өткен сәуленi ұстайтын рентгендiк таспа (рентгенографияда); флюоросценттiк экран (рентгеноскопияда); селендiк күйтабақ (электррентгенографияда) немесе кристалдық детекторлар (компьютерлiк томографияда) – сәуленiң сапасы мен шоғырланған рентген сәулесiнiң сандық талдауына сүйенедi. Рентгенологияның маңызды теорема бөлiмi болып – рентгендiк скиалогия (рентгендiк көлеңкелi суреттiң пайда болу заңдылығын зерттейдi) есептеледi. Қазақстанда Рентгенологияның дамуы 1923 жылдан басталады. Сол жылы Верный (қазіргі Алматы) қаласында бiрiншi рентген аппараты қойылды. Екiншiсi 1926 ж. сол кездегi республика астанасы – Қызылордада орнатылса, 1930 ж. Риддер қ-нда рентген бөлмесi iске қосылды. Қазақстанда Р. саласының дамуына үлес қосқан дәрiгерлер Е.П.Гермайзе, П.А.Пшеничный, И.С.Нестеровский, т.б. болды. Рентгенологиялық бөлiмшелер құрылымының қызметiне Республиканың рентгендiк орталығы (1936–39), Рентгендiк ст-лар (1939–59), ал 1959 жылдан рентгенрадиологиялық бөлiмдер басшылық етедi. 1953 ж. Қазақ мемлекеттік медицина институтында бiрiншi рет Рентгенология және радиология кафедрасы (меңгерушiсi С.Б.Балмұқанов) ашылды. 1964 ж. осы кафедраның қолдауымен Алматы дәрiгерлер бiлiмiн жетiлдiру институтында екiншi Рентгенология кафедрасы ұйымдастырылды. Қазiргi кезде республикадағы медицина академиялар мен университеттер Рентгенология саласы бойынша мамандар дайындайды. Рентгенология саласының дамуына дәрігер-ғалымдар, профессорлар М.Т.Әлиакпаров, А.Ғ.Серғазин, С.Түсiпбеков, Ж.Хамзабаев, т.б. үлес қосты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рентген сәулелерінің ашылуы.

Рентген Вильгельм  Конрад  (1845 – 1923ж.ж)

 Рентген сәулелерін 1895 жылы неміс физигі Вильгельм Конрад Рентген ашқан. Рентген өзіне дейінгі көптеген ғалымдардың мән бермеген және аңғара алмағандарын байқай қойды. Осы ерекше қабілеті оның тамаша жаңалық ашуына жәрдемдесті. Ғасырдың аяғында аз қысымды газдардағы разряд физиктердің назарын аударды. Бұл жағдайларда газ-разрядтық түтіктерде өте шапшаң электрондардың ағыны туғызылған. Сол уақытта оларды катод сәулелері деп атаған. Бұл сәулелердің табиғаты сол кезде сенімді түрде тиянақтала қоймаған еді, тек бұл сәулелердің шығатын басы түтіктің катодында екені ғана мәлім болған.

Катод сәулелерін зерттеумен шұғылданған Рентген, фотопластина қара қағазға ораулы тұрғанына қарамастан, разрядтық түтікшенің маныңда ағарып қалған. Осыдан кейін ол тағы бір  таңқаларлық құбылысты байқады. Барийдің платина ерітіндісіне батырылған қағаз экранға разрядтық түтікщені орағанда, экран ағара бастайтыны байқалды. Оның үстіне, Рентген түтікше мен экранның арасына қолын ұстағанда экранда қолдың нобайының қылаң реңкінде сүйектердің қара көлеңкелері көрінеді.

Катодтық сәулелердің көмегімен пайда болатын люминесценция құбылысын зерттеп, түрлі тәжірибелер өткізді. Әсерді көбейту үшін физик электронды сәулелі түтікшенің ішіне люминесценция тудырушы затты салып, күн сәулесі өтпейтіндей етіп зертханадағы барлық терезелерді жауып тастаған. Электронды сәулелі түтікшені қосқанда, Рентген қызық оқиғаны байқайды. Бөлменің бір бөлігінде жап-жарық сәуле пайда болады. Зейін қойып бәрін зерттей бастағанда, Рентген сәуленің барий платиноцианидпен, яғни люминесценттеуші затпен қапталған қағаздан шығып тұрғанын байқайды. Бұндайды күтпеген ғалым бірден шамды өшіруге асықты. Жарық сәуле өшті. Қайтадан қосқанда, жарық қайта пайда болды. Сонда, ғалым люминесценттеуші затпен қапталған қағазды басқа бөлмеге апарғанда, ол жарық болып, сәулеленіп тұрған. Сонда Рентген сәуленің тек қағаздан ғана емес, басқа да заттардан өте алатынын түсінді. Бұндай құбылысқа түсініктеме таба алмаған физик сәулелерді - Х сәулелері деп атап кеткен. Соңынан бұл сәулелерге «рентген сәулелер» деген термин берік қалыптасты. Бұл бағытта Вильгельм Конрад бір жылға жуық зерттеу жұмыстарын жүргізіп, жүздеген теориялық мақалаларды жариялаған. Рентгеннің ізбасарлары да көптеген ғылыми мақалалардың авторлары атанғанымен, бұл жобаға айтарлықтай жаңалық енгізбеді. Кейін Рентгеннің х-сәулелеріне деген қызығушылығы жоғалып, ол бұл бағыттағы жұмыстарын тоқтатады. Рентгеннің шәкірті Абрама Фёдорович Иоффенің ұсынысымен Х-сәулелерді "Рентген" сәулелері деп атап кеткен.

Қорыта айтканда, жылдам электрондар кенеттен тежелгенде пайда болатын толқын ұзындығы өте қысқа (10-12÷ 10-9м) электромагниттік сәулелер рентген сәулелері болып табылады.

      Рентген сәуле шығаруын тағы классикалық электромагниттік теорияның аясында түсіндіруге болады. Бұл теория бойынша үдей қозғалатын зарядталған бөлшек міндетті түрде сәулеленуі тиіс. Қарастырылып отырған жағдайда электрон антикатодқа соғылып тежеледі де, теріс үдеу алады, сондықтан ол сәулеленеді.   Сәулеленудің қуаты электрон зарядының квадратына және оның үдеуінің квадратына пропорционал, яғни р ~ е2а2. Электрон тежелгенде классикалық теория бойынша нөлден шексіздікке дейінгі барлық интервалдағы толқын ұзындықтары бар сәулелер шығу керек. Сәулелену қуатының максимумына сәйкес келетін толқын ұзындығы электрондардың жылдамдығы артқан сайын азаюы тиіс, яғни ол үдетуші U кернеуді арттырғанда қысқа толқындар жағына жылжуы керек.

    Рентген сәулелерінің қасиеттері.

 Рентген ашқан сәулелер  фотопластинаға әсер етеді, ауаның  иондалуын туғызады бірақ кез  келген бір заттардан айтарлықтай  шағылмайды және сынбайды. Электромагниттік өріс олардың таралу бағытына ешқандай әсерін тигізбейді.

Осыдан кейін бірден рентген сәулелері электрондардың кенет тежелуінен шығатын электромагниттік толқындар деген болжам жасалды. Спектрді көрінетін бөлігінің жарық  сәулелері мен ультракүлгін сәулелерінен өзгеше рентген сәулелерінің  толқын ұзындықтары біршама кіші болады. Кедергіге соқтығысатын электрондардың энергиясы неғұрлым көп болса, олардың толқын ұзындығы соғұрлым кіші болады. Рентген сәулелерінің жоғары өтімділігі және басқа ерекшеліктері дәл осы толқын ұзындығының шағын болуымен байланыстырылады. Бірақ бұл гипотеза  дәлелдеуді қажет етеді. Және ондай дәлелдеулер Рентген ашқаннан кейін 15 жылдан соң жасалды.

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рентген сәулелерінің шашырауы. Комптон құбылысы

Рентгең сәулелері бір заттан өткенде олардың біразының бағыты өзгеріп, шашырайтындығы мәлім. Толқындық теория бойынша бұл құбылысты былай түсіндіруге болады. Рентген сәулелері дегеніміз электромагниттік толқындардың дербес бір түрі; олай болса түскен рентген сәулесі өрісінің әсерінен заттың атомдарының ішіндегі электрондар тербеліп, қозғалады. Сонда олардан екінші ретті электромагниттік толқындар таралады, осы электромагниттік толқындар шашыраған рентген сәулелері болып табылады. Классикалық теория бойынша шашыраған сәулелер мен түскен сәулелердің тербеліс жиіліктері бірдей болуға тиіс. Демек шашыраған рентген сәулелерінің құрамы түскен рентген сәулелерінің құрамындай болуы керек. Бірақ шашыраған рентген сәулелерінің спектрін тәжірибе жасап зерттей келгенде бұл қағиданың кейбір жағдайда орындалмайтындығы байқалады. Атап айтқанда графит, парафин сияқты заттардан шашыраған қатаңдау рентген сәулелерінің құрамында толқынның ұзындығы бастапқы түскен сәулелердікіндей және толқындары одан гөрі ұзынырақ сәулелер де болатындығы тағайындалды. Осылай рентген сәулесі шашыраған кезде олардың толқындарының  ұзындығы өзгеруі – Комптон құбылысы немесе Комптон эффект деп аталады. Бұл құбылысты алғаш Комптон 1923 жылы ашқан.

Комптон тәжірибесінің  схемасы  өздерің білесіңдер. Мұнда R рентген түтігінен таралған монохромат сәулелер А парафинге түседі; шашыраған рентген сәулелерінің D1 және D2  - диафрагмалардан өткен жіңішке параллель шоғы спектрографтың К кристалынан шағылып, В иондалу камерасына түседі. Сонда шашыраған рентген сәулелерінің спектрінде толқынның ұзындығы λ – ға тең бастапқы сәулемен қабат толқыны одан ұзын, мысалы λ/ - ге тең сәуле бар екендігі байқалады. Бұлардың толқындарының ұзындықтарының айырмасы (∆λ= λ/- λ) шашыратқыш затқа және бастапқы түскен сәуленің толқынының ұзындығына тәуелді емес, тек сәулелердің шашырау бағытына байланысты. Егер бастапқы сәулелер бағыты мен шашыраған сәулелер бағыты арасындағы бұрышты, яғни шашырау бұрышын φ әріпімен белгілесек, сонда ∆λ мен φ арасындағы байланысты былай өрнектеуге болады:

Мұндағы тұрақты шама к=0,00241 нм, оның бұл мәні тәжірибе арқылы табылған. Комптон құбылысын классикалық электромагниттік теория тұрғысынан қарап түсіндіру мүмкін емес, мұны тек кванттық теория бойынша түсіндіруге болады. Бұл теория бойынша рентген сәулелері дегеніміз – фотондардың ағыны болып табылады да әрбір фотонның белгілі бір энергиясы және импульсі болады. Комптон құбылысын рентген фотондары мен жеңіл атомдардың ішіндегі еркін электрондардың соғылысу нәтижесі деп қарастырамыз. Сонда бұл соғылысу серпімді соғылысу заңдарына бағынады деп болжаймыз. Рентген фотоны электронмен осылайша соғылысқанда онын энергиясы мен импульсі өзгереді, өйткені электронға кинетикалық энергия және импульс пайда болады. Егер фотонның бастапқы энергиясы ,  импульс  болса, шашыраған фотонның энергиясы Е/ф=hν/, импульсі  болады; электронның кинетикалық энергиясы , импульс болса, шашыраған фотонның энергиясы Е/ф=hν/, импульсі болады; электронның кинетикалық энергиясы

оның импульсі    мұндағы m0 мен т — электронның тыныш күйіндегі және қозғалғандағы массалары; v — электроның жылдамдығы. Энергияның сақталу заңы бойынша:

hν+m0с2=hν/+ mс2

мұндағы m0с2  -  электронның   тыныш күйдегі   энергиясы. Импульстің сақталу заңы бойынша:

m 2ν2с2= h2 ν2+ h2 ν/2-2 ν ν/cosφ

 теңдіктен: hν+m0с2=hν/+ mс2 екендігін табамыз. Бұл өрнектің екі жағын да квадраттаймыз, сонда

m 2с4= h2 ν2+ h2 ν/2-2 ν ν/+2 h(ν-  ν/) m0с2+ m02 с4

Енді теңдіктен теңдікті мүшелеп шегерсек және   екендігін еске алсақ, мынадай теңдеу шығады:

2 h(ν- ν/) m0с=2 h2 ν ν/(1- cosφ)

немесе

мұндағы   

;           1- cosφ=2sin2φ/2

Сонымен

    

мұндағы см

Бұл шама формуланың оң жағындағы  к тұрактысының тәжірибеден белгілі  сан мәніне тең. Сөйтіп формула формулаға  дәл келеді.

Енді шашыраған рентген  сәулелерінің   спектріндегі толқын ұзындығы өзгермеген, яғни ығыспаған сызыққа тоқталайық. Бұл сызық рентген фотоны атомдардың өздерімен соғылысу нәтижесінде пайда болады, сонда шашыраған фотонның энергиясы өзгермейді, ендеше оның тербеліс жиілігі де өзгермейді.

 

 

 

Дифракциялық  әдістер

 Құрылымдық  кристаллографияның негіздері.

Кристалдық күй-жағдай. Кристаллографиялық проекциялар. Кристалдардың құрылымы және кеңістіктік тор. Кристалдардың  симметриясы. Кристалдың геометриялық элементтерін аналитикалық суреттеу.