Què sabem dels raigs X?

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

Al segle XIX, la radiació invisible per a l'ull humà, capaç de passar per la carn i altres materials, semblava una cosa completament fantàstica. Ara, els raigs X s'utilitzen àmpliament per crear imatges mèdiques, realitzar radioteràpia, analitzar obres d'art i resoldre problemes d'energia nuclear.

Com es va descobrir la radiació de raigs X i com ajuda la gent - ho descobrim juntament amb el físic Alexander Nikolaevich Dolgov.

El descobriment dels raigs X

A partir de finals del segle XIX, la ciència va començar a jugar un paper fonamentalment nou en la configuració de la imatge del món. Fa un segle, les activitats dels científics eren de caràcter amateur i privat. Tanmateix, a finals del segle XVIII, arran de la revolució científica i tecnològica, la ciència es va convertir en una activitat sistemàtica en la qual tots els descobriments van ser possibles gràcies a la contribució de molts especialistes.

Van començar a aparèixer instituts de recerca, revistes científiques periòdiques, va sorgir la competència i la lluita pel reconeixement dels drets d'autor pels assoliments científics i les innovacions tècniques. Tots aquests processos van tenir lloc a l'Imperi Alemany, on a finals del segle XIX, el Kàiser va fomentar èxits científics que van augmentar el prestigi del país a l'escena mundial.

Un dels científics que va treballar amb entusiasme durant aquest període va ser el professor de física, rector de la Universitat de Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. El 8 de novembre de 1895 es va quedar tard al laboratori, com passava sovint, i va decidir fer un estudi experimental de la descàrrega elèctrica en tubs de buit de vidre. Va enfosquir l'habitació i va embolicar un dels tubs amb paper negre opac per tal de facilitar l'observació dels fenòmens òptics que acompanyen la descàrrega. Per a la meva sorpresa

Roentgen va veure una banda de fluorescència en una pantalla propera coberta amb cristalls de cianoplatinita de bari. És poc probable que un científic pogués imaginar-se llavors que estava a les portes d'un dels descobriments científics més importants del seu temps. L'any vinent, s'escriuran més d'un miler de publicacions sobre raigs X, els metges posaran immediatament en servei l'invent, gràcies a això, en el futur es descobrirà la radioactivitat i apareixeran noves direccions de la ciència.

Roentgen va dedicar les properes setmanes a investigar la naturalesa de la resplendor incomprensible i va trobar que la fluorescència apareixia sempre que aplicava corrent al tub. El tub era la font de la radiació, no una altra part del circuit elèctric, sense saber a què s'enfrontava, Roentgen va decidir designar aquest fenomen com a raigs X, o raigs X. A més, Roentgen va descobrir que aquesta radiació pot penetrar gairebé tots els objectes a diferents profunditats, depenent del gruix de l'objecte i de la densitat de la substància.

Així, un petit disc de plom entre el tub de descàrrega i la pantalla va resultar impermeable als raigs X, i els ossos de la mà projectaven una ombra més fosca a la pantalla, envoltats d'una ombra més clara dels teixits tous. Aviat el científic va descobrir que els raigs X provoquen no només la brillantor de la pantalla coberta de cianoplatinita de bari, sinó també l'enfosquiment de les plaques fotogràfiques (després del desenvolupament) en aquells llocs on els raigs X van caure sobre l'emulsió fotogràfica.

En el curs dels seus experiments, Roentgen estava convençut que havia descobert radiacions desconegudes per la ciència. El 28 de desembre de 1895, va informar sobre els resultats de la investigació en un article "On a new type of radiation" a la revista Annals of Physics and Chemistry. Al mateix temps, va enviar als científics les imatges de la mà de la seva dona, Anna Bertha Ludwig, que més tard es va fer famosa.

Gràcies al vell amic de Roentgen, el físic austríac Franz Exner, els habitants de Viena van ser els primers a veure aquestes fotos el 5 de gener de 1896 a les pàgines del diari Die Presse. L'endemà, la informació sobre l'obertura es va transmetre al diari London Chronicle. Així que el descobriment de Roentgen va començar a entrar a poc a poc a la vida quotidiana de les persones. L'aplicació pràctica es va trobar gairebé immediatament: el 20 de gener de 1896, a New Hampshire, els metges van tractar un home amb un braç trencat mitjançant un nou mètode de diagnòstic: una radiografia.

Ús primerenc dels raigs X

Al llarg de diversos anys, les imatges de raigs X s'han començat a utilitzar activament per a operacions més precises. Ja 14 dies després de la seva obertura, Friedrich Otto Valkhoff es va fer la primera radiografia dental. I després d'això, juntament amb Fritz Giesel, van fundar el primer laboratori de raigs X dental del món.

L'any 1900, 5 anys després del seu descobriment, l'ús de raigs X en el diagnòstic es considerava una part integral de la pràctica mèdica.

Les estadístiques compilades per l'hospital més antic de Pennsilvània es poden considerar indicatives de la propagació de tecnologies basades en la radiació de raigs X. Segons ella, el 1900, només un 1-2% dels pacients van rebre ajuda amb raigs X, mentre que el 1925 ja n'hi havia un 25%.

Els raigs X s'utilitzaven d'una manera molt inusual en aquell moment. Per exemple, s'utilitzaven per oferir serveis de depilació. Durant molt de temps, aquest mètode es va considerar preferible en comparació amb els més dolorosos: pinces o cera. A més, els raigs X s'han utilitzat en aparells de calçat de calçat: fluoroscopis de prova (pedoscopis). Es tractava de màquines de raigs X amb una osca especial per als peus, així com finestres per les quals el client i els venedors podien avaluar com s'asseien les sabates.

L'ús primerenc de la imatge de raigs X des d'una perspectiva de seguretat moderna planteja moltes preguntes. El problema era que en el moment del descobriment dels raigs X pràcticament no se sabia res de la radiació i les seves conseqüències, per això els pioners que van utilitzar el nou invent es van enfrontar als seus efectes nocius en la seva pròpia experiència. Les conseqüències negatives de l'augment de l'exposició. es va convertir en un fenomen de masses al tombant del segle 19. segles XX, i la gent va començar a adonar-se gradualment dels perills de l'ús sense sentit dels raigs X.

La naturalesa dels raigs X

La radiació de raigs X és una radiació electromagnètica amb energies de fotons de ~ 100 eV a 250 keV, que es troba a l'escala d'ones electromagnètiques entre la radiació ultraviolada i la radiació gamma. Forma part de la radiació natural que es produeix en els radioisòtops quan els àtoms dels elements són excitats per un corrent d'electrons, partícules alfa o quants gamma, en què els electrons són expulsats de les capes d'electrons de l'àtom. La radiació de raigs X es produeix quan les partícules carregades es mouen amb acceleració, en particular, quan els electrons es desacceleren, en el camp elèctric dels àtoms d'una substància.

Es distingeixen els raigs X suaus i durs, el límit condicional entre els quals a l'escala de longitud d'ona és d'uns 0,2 nm, que correspon a una energia fotònica d'uns 6 keV. La radiació de raigs X és alhora penetrant, a causa de la seva curta longitud d'ona, i ionitzant, ja que quan travessa una substància, interacciona amb els electrons, eliminant-los dels àtoms, trencant-los en ions i electrons i canviant l'estructura de la substància. que actua.

Els raigs X fan que brilli un compost químic anomenat fluorescència. Irradiar els àtoms de la mostra amb fotons d'alta energia provoca l'emissió d'electrons: surten de l'àtom. En un o més orbitals d'electrons es formen "forats": vacants, a causa dels quals els àtoms entren en un estat excitat, és a dir, es tornen inestables. Milionèsimes de segon després, els àtoms tornen a un estat estable, quan les vacants dels orbitals interiors s'omplen amb electrons dels orbitals exteriors.

Aquesta transició va acompanyada de l'emissió d'energia en forma de fotó secundari, per tant sorgeix la fluorescència.

Astronomia de raigs X

A la Terra, poques vegades ens trobem amb raigs X, però sovint es troben a l'espai. Allà es produeix de manera natural a causa de l'activitat de molts objectes espacials. Això va fer possible l'astronomia de raigs X. L'energia dels fotons de raigs X és molt superior a la dels òptics, per tant, en el rang de raigs X emet una substància escalfada a temperatures extremadament altes.

Aquestes fonts còsmiques de radiació de raigs X no són una part notable de la radiació natural de fons per a nosaltres i, per tant, no amenacen les persones de cap manera. L'única excepció pot ser una font de radiació electromagnètica dura com una explosió de supernova, que es va produir prou a prop del sistema solar.

Com crear raigs X artificialment?

Els dispositius de raigs X encara s'utilitzen àmpliament per a la introscòpia no destructiva (imatges de raigs X en medicina, detecció de defectes en tecnologia). El seu component principal és un tub de raigs X, que consta d'un càtode i un ànode. Els elèctrodes del tub estan connectats a una font d'alta tensió, normalment desenes o fins i tot centenars de milers de volts. Quan s'escalfa, el càtode emet electrons, que són accelerats pel camp elèctric generat entre el càtode i l'ànode.

En xocar amb l'ànode, els electrons es desacceleren i perden la major part de la seva energia. En aquest cas, apareix la radiació bremsstrahlung del rang de raigs X, però la part predominant de l'energia electrònica es converteix en calor, de manera que l'ànode es refreda.

El tub de raigs X d'acció constant o polsada és encara la font de radiació de raigs X més estesa, però està lluny de ser l'única. Per obtenir polsos de radiació d'alta intensitat, s'utilitzen descàrregues d'alta intensitat, en què el canal de plasma del corrent que flueix es comprimeix pel seu propi camp magnètic de corrent, l'anomenat pinçament.

Si la descàrrega té lloc en un medi d'elements lleugers, per exemple, en un medi d'hidrogen, juga el paper d'un accelerador efectiu d'electrons pel camp elèctric que sorgeix en la pròpia descàrrega. Aquesta descàrrega pot superar significativament el camp generat per una font de corrent externa. D'aquesta manera, s'obtenen polsos de radiació de raigs X durs amb gran energia dels quants generats (centenars de kiloelectronvolts), que tenen un alt poder de penetració.

Per obtenir raigs X en un ampli rang espectral, s'utilitzen acceleradors d'electrons - sincrotrons. En ells, la radiació es forma a l'interior d'una cambra de buit anular, en la qual un feix d'electrons d'alta energia dirigit estretament, accelerat gairebé a la velocitat de la llum, es mou en una òrbita circular. Durant la rotació, sota la influència d'un camp magnètic, els electrons voladors emeten feixos de fotons tangencial a l'òrbita en un ampli espectre, el màxim dels quals cau en el rang de raigs X.

Com es detecten els raigs X

Durant molt de temps, es va utilitzar una capa fina de fòsfor o emulsió fotogràfica aplicada a la superfície d'una placa de vidre o una pel·lícula de polímer transparent per detectar i mesurar la radiació de raigs X. El primer brillava en el rang òptic de l'espectre sota l'acció de la radiació de raigs X, mentre que la transparència òptica del recobriment va canviar a la pel·lícula sota l'acció d'una reacció química.

Actualment, els detectors electrònics s'utilitzen amb més freqüència per registrar la radiació de raigs X: dispositius que generen un pols elèctric quan s'absorbeix una quantitat de radiació en el volum sensible del detector. Es diferencien pel principi de convertir l'energia de la radiació absorbida en senyals elèctrics.

Els detectors de raigs X amb registre electrònic es poden dividir en ionització, l'acció de la qual es basa en la ionització d'una substància, i radioluminescents, inclosa la centelleig, utilitzant la luminiscència d'una substància sota l'acció de la radiació ionitzant. Els detectors d'ionització, al seu torn, es divideixen en plens de gas i semiconductors, depenent del medi de detecció.

Els principals tipus de detectors plens de gas són les cambres d'ionització, els comptadors Geiger (comptadors Geiger-Muller) i els comptadors proporcionals de descàrrega de gas. Els quants de radiació que entren a l'entorn de treball del comptador provoquen la ionització del gas i el flux de corrent, que es registra. En un detector de semiconductors, es formen parells electró-forat sota l'acció dels quants de radiació, que també fan possible que un corrent elèctric circuli pel cos del detector.

El component principal dels comptadors de centelleig en un dispositiu de buit és un tub fotomultiplicador (PMT), que utilitza l'efecte fotoelèctric per convertir la radiació en un corrent de partícules carregades i el fenomen d'emissió d'electrons secundaris per millorar el corrent de les partícules carregades generades. El fotomultiplicador té un fotocàtode i un sistema d'elèctrodes acceleradors seqüencials - dínodes, a l'impacte sobre el qual es multipliquen els electrons accelerats.

El multiplicador d'electrons secundaris és un dispositiu de buit obert (només funciona en condicions de buit), en el qual la radiació de raigs X a l'entrada es converteix en un corrent d'electrons primaris i després s'amplifica a causa de l'emissió secundària d'electrons a mesura que es propaguen al canal multiplicador..

Les plaques de microcanal, que són un gran nombre de canals microscòpics separats que penetren al detector de plaques, funcionen segons el mateix principi. A més, poden proporcionar una resolució espacial i la formació d'una imatge òptica de la secció transversal del flux incident al detector de radiació de raigs X bombardejant el flux d'electrons sortints d'una pantalla semitransparent amb un fòsfor dipositat sobre ella.

Els raigs X en medicina

La capacitat dels raigs X per brillar a través dels objectes materials no només ofereix a les persones la capacitat de crear raigs X senzills, sinó que també obre possibilitats per a eines de diagnòstic més avançades. Per exemple, és el cor de la tomografia computada (TC).

La font i el receptor de raigs X giren dins de l'anell en què es troba el pacient. Les dades obtingudes sobre com els teixits del cos absorbeixen els raigs X són reconstruïdes per un ordinador en una imatge 3D. La TC és especialment important per diagnosticar un ictus i, tot i que és menys precisa que la ressonància magnètica del cervell, triga molt menys temps.

Una direcció relativament nova, que ara s'està desenvolupant en microbiologia i medicina, és l'ús de la radiació de raigs X suau. Quan un organisme viu és translúcid, permet obtenir una imatge dels vasos sanguinis, estudiar amb detall l'estructura dels teixits tous i fins i tot realitzar estudis microbiològics a nivell cel·lular.

Un microscopi de raigs X que utilitza la radiació d'una descàrrega de tipus pessic en el plasma d'elements pesants permet veure aquests detalls de l'estructura d'una cèl·lula viva,que no es pot veure amb un microscopi electrònic ni tan sols en una estructura cel·lular especialment preparada.

Un dels tipus de radioteràpia utilitzats per tractar tumors malignes utilitza raigs X durs, cosa que es fa possible gràcies al seu efecte ionitzant, que destrueix el teixit d'un objecte biològic. En aquest cas, s'utilitza un accelerador d'electrons com a font de radiació.

Radiografia en tecnologia

Els raigs X suaus s'utilitzen en investigacions destinades a resoldre el problema de la fusió termonuclear controlada. Per iniciar el procés, cal crear una ona de xoc de retrocés irradiant un petit objectiu de deuteri i triti amb raigs X suaus d'una descàrrega elèctrica i escalfant instantàniament la closca d'aquest objectiu a un estat de plasma.

Aquesta ona comprimeix el material objectiu a una densitat milers de vegades superior a la densitat d'un sòlid i l'escalfa fins a una temperatura termonuclear. L'alliberament d'energia de fusió termonuclear es produeix en poc temps, mentre que el plasma calent es dispersa per inèrcia.

La capacitat de translúcid fa possible la radiografia: una tècnica d'imatge que permet mostrar l'estructura interna d'un objecte opac fet de metall, per exemple. És impossible determinar a simple vista si les estructures del pont s'han soldat fermament, si la costura del gasoducte és hermètica i si els rails s'ajusten entre si.

Per tant, a la indústria, els raigs X s'utilitzen per a la detecció de defectes: controlar la fiabilitat de les principals propietats i paràmetres de treball d'un objecte o dels seus elements individuals, cosa que no requereix treure l'objecte fora de servei o desmuntar-lo.

L'espectrometria de fluorescència de raigs X es basa en l'efecte de la fluorescència, un mètode d'anàlisi utilitzat per determinar les concentracions d'elements des del beril·li fins a l'urani en el rang de 0,0001 a 100% en substàncies de diversos orígens.

Quan una mostra s'irradia amb un potent flux de radiació d'un tub de raigs X, apareix la radiació fluorescent característica dels àtoms, que és proporcional a la seva concentració a la mostra. Actualment, pràcticament tots els microscopis electrònics permeten determinar, sense cap dificultat, la composició elemental detallada dels microobjectes estudiats mitjançant el mètode d'anàlisi de fluorescència de raigs X.

Els raigs X en la història de l'art

La capacitat dels raigs X per brillar i crear un efecte de fluorescència també s'utilitza per estudiar pintures. El que s'amaga sota la capa superior de pintura pot dir molt sobre la història de la creació del llenç. Per exemple, és en el treball hàbil amb diverses capes de pintura que es pot trobar que una imatge és única en l'obra d'un artista. També és important tenir en compte l'estructura de les capes de la pintura a l'hora de triar les condicions d'emmagatzematge més adequades per a la tela.

Per tot això, la radiació de raigs X és indispensable, la qual cosa permet mirar sota les capes superiors de la imatge sense danyar-la.

Avenços importants en aquesta direcció són nous mètodes especialitzats per treballar amb obres d'art. La fluorescència macroscòpica és una variant de l'anàlisi de fluorescència de raigs X que és molt adequada per visualitzar l'estructura de distribució dels elements clau, principalment metalls, presents en àrees d'aproximadament 0,5-1 metre quadrat o més.

D'altra banda, la laminografia de raigs X, una variant de la tomografia de raigs X computada, que és més adequada per estudiar superfícies planes, sembla prometedora per obtenir imatges de capes individuals d'una imatge. Aquests mètodes també es poden utilitzar per estudiar la composició química de la capa de pintura. Això permet datar el llenç, fins i tot per identificar una falsificació.

Els raigs X permeten conèixer l'estructura d'una substància

La cristal·lografia de raigs X és una direcció científica associada a la identificació de l'estructura de la matèria a nivell atòmic i molecular. Una característica distintiva dels cossos cristal·lins és una repetició ordenada múltiple en l'estructura espacial dels mateixos elements (cèl·lules), constituït per un determinat conjunt d'àtoms, molècules o ions.

El principal mètode d'investigació consisteix a exposar una mostra cristal·lina a un feix estret de raigs X mitjançant una càmera de raigs X. La fotografia resultant mostra una imatge de raigs X difractats que travessen el cristall, des de la qual els científics poden mostrar visualment la seva estructura espacial, anomenada xarxa cristal·lina. Diverses maneres d'implementar aquest mètode s'anomenen anàlisi estructural de raigs X.

L'anàlisi estructural de raigs X de substàncies cristal·lines consta de dues etapes:

1. Determinació de la mida de la cel·la unitat del cristall, el nombre de partícules (àtoms, molècules) a la cel·la unitària i la simetria de la disposició de les partícules. Aquestes dades s'obtenen analitzant la geometria de la ubicació dels màxims de difracció.
2. Càlcul de la densitat electrònica dins de la cel·la unitat i determinació de les coordenades atòmiques, que s'identifiquen amb la posició dels màxims de densitat electrònica. Aquestes dades s'obtenen analitzant la intensitat dels màxims de difracció.

Alguns biòlegs moleculars prediuen que en la imatge de les molècules més grans i complexes, la cristal·lografia de raigs X pot ser substituïda per una nova tècnica anomenada microscòpia electrònica criogènica.

Una de les eines més noves en anàlisi química va ser l'escàner de pel·lícules de Henderson, que va utilitzar en el seu treball pioner en microscòpia electrònica criogènica. Tanmateix, aquest mètode encara és bastant car i, per tant, és poc probable que substitueixi completament la cristal·lografia de raigs X en un futur proper.

Una àrea relativament nova d'investigació i aplicacions tècniques associades a l'ús de raigs X és la microscòpia de raigs X. Està dissenyat per obtenir una imatge ampliada de l'objecte en estudi en l'espai real en dues o tres dimensions mitjançant òptica d'enfocament.

El límit de difracció de resolució espacial en microscòpia de raigs X a causa de la petita longitud d'ona de la radiació utilitzada és unes 1000 vegades millor que el valor corresponent per a un microscopi òptic. A més, el poder de penetració de la radiació de raigs X permet estudiar l'estructura interna de mostres completament opaques a la llum visible.

I encara que la microscòpia electrònica té l'avantatge d'una resolució espacial una mica més elevada, no és un mètode d'investigació no destructiu, ja que requereix buit i mostres amb superfícies metàl·liques o metal·litzades, la qual cosa és totalment destructiu, per exemple, per als objectes biològics.