Longitud de la radiografía. Propiedades básicas de la radiación de rayos X.

El diagnóstico médico moderno y el tratamiento de determinadas enfermedades no se pueden imaginar sin dispositivos que aprovechen las propiedades de la radiación de rayos X. El descubrimiento de los rayos X se produjo hace más de 100 años, pero aún hoy se continúa trabajando en la creación de nuevas técnicas y dispositivos para minimizar los efectos negativos de la radiación en el cuerpo humano.

¿Quién descubrió los rayos X y cómo?

En condiciones naturales, los flujos de rayos X son raros y sólo los emiten determinados isótopos radiactivos. Los rayos X o rayos X no fueron descubiertos hasta 1895 por el científico alemán Wilhelm Röntgen. Este descubrimiento se produjo por casualidad, durante un experimento para estudiar el comportamiento de los rayos de luz en condiciones cercanas al vacío. El experimento utilizó un tubo catódico de descarga de gas con presión reducida y una pantalla fluorescente, que cada vez comenzaba a brillar en el momento en que el tubo comenzaba a funcionar.

Interesado por el extraño efecto, Roentgen realizó una serie de estudios que demostraron que la radiación resultante, invisible al ojo, es capaz de atravesar diversos obstáculos: papel, madera, vidrio, algunos metales e incluso a través del cuerpo humano. A pesar de la falta de comprensión de la naturaleza misma de lo que está sucediendo, si tal fenómeno es causado por la generación de una corriente de partículas u ondas desconocidas, se observó el siguiente patrón: la radiación pasa fácilmente a través de los tejidos blandos del cuerpo y mucho más duro a través de tejidos vivos duros y sustancias no vivas.

Roentgen no fue el primero en estudiar este fenómeno. A mediados del siglo XIX, el francés Antoine Mason y el inglés William Crookes exploraron posibilidades similares. Sin embargo, fue Roentgen quien inventó por primera vez un tubo catódico y un indicador que podría usarse en medicina. Fue el primero en publicar un trabajo científico, lo que le valió el título de primer premio Nobel entre los físicos.

En 1901 se inició una fructífera colaboración entre tres científicos, que se convirtieron en los padres fundadores de la radiología y la radiología.

Propiedades de los rayos X

Los rayos X son un componente del espectro general de la radiación electromagnética. La longitud de onda se encuentra entre los rayos gamma y ultravioleta. Los rayos X tienen todas las propiedades ondulatorias habituales:

difracción;
refracción;
interferencia;
velocidad de propagación (es igual a la luz).

Para generar artificialmente un flujo de rayos X, se utilizan dispositivos especiales: tubos de rayos X. La radiación de rayos X se produce debido al contacto de los electrones rápidos del tungsteno con sustancias que se evaporan del ánodo caliente. En el contexto de la interacción, aparecen ondas electromagnéticas de corta longitud, ubicadas en el espectro de 100 a 0,01 nm y en el rango de energía de 100-0,1 MeV. Si la longitud de onda de los rayos es inferior a 0,2 nm, se trata de radiación dura; si la longitud de onda es mayor que este valor, se denominan rayos X blandos.

Es significativo que la energía cinética que surge del contacto de los electrones y la sustancia anódica se convierte en un 99% en energía térmica y sólo un 1% en rayos X.

Radiación de rayos X: bremsstrahlung y característica

La radiación X es una superposición de dos tipos de rayos: bremsstrahlung y característicos. Se generan en el tubo simultáneamente. Por lo tanto, la irradiación de rayos X y las características de cada tubo de rayos X específico (su espectro de radiación) dependen de estos indicadores y representan su superposición.

Bremsstrahlung o rayos X continuos son el resultado de la desaceleración de los electrones evaporados de un filamento de tungsteno.

Los rayos X característicos o lineales se forman en el momento de la reestructuración de los átomos de la sustancia del ánodo del tubo de rayos X. La longitud de onda de los rayos característicos depende directamente del número atómico del elemento químico utilizado para fabricar el ánodo del tubo.

Las propiedades enumeradas de los rayos X permiten su uso en la práctica:

invisibilidad para los ojos comunes;
alta capacidad de penetración a través de tejidos vivos y materiales no vivos que no transmiten rayos del espectro visible;
Efecto de ionización sobre las estructuras moleculares.

Principios de las imágenes de rayos X.

Las propiedades de los rayos X en las que se basan las imágenes es la capacidad de descomponer o provocar el brillo de determinadas sustancias.

La irradiación de rayos X provoca un brillo fluorescente en los sulfuros de cadmio y zinc (verde) y en el tungstato de calcio (azul). Esta propiedad se utiliza en técnicas médicas de imágenes de rayos X y también aumenta la funcionalidad de las pantallas de rayos X.

El efecto fotoquímico de los rayos X sobre materiales fotosensibles de haluros de plata (exposición) permite realizar diagnósticos mediante fotografías de rayos X. Esta propiedad también se utiliza al medir la dosis total recibida por los asistentes de laboratorio en las salas de rayos X. Los dosímetros corporales contienen cintas e indicadores sensibles especiales. El efecto ionizante de la radiación de rayos X permite determinar las características cualitativas de los rayos X resultantes.

Una sola exposición a la radiación de los rayos X convencionales aumenta el riesgo de cáncer en sólo un 0,001%.

Áreas donde se utilizan rayos X

El uso de rayos X está permitido en las siguientes industrias:

Seguridad. Dispositivos estacionarios y portátiles para detectar artículos peligrosos y prohibidos en aeropuertos, aduanas o lugares concurridos.
Industria química, metalurgia, arqueología, arquitectura, construcción, trabajos de restauración: para detectar defectos y realizar análisis químicos de sustancias.
Astronomía. Ayuda a observar cuerpos y fenómenos cósmicos utilizando telescopios de rayos X.
Industria militar. Desarrollar armas láser.

La principal aplicación de la radiación de rayos X es en el campo médico. Hoy en día, la sección de radiología médica incluye: radiodiagnóstico, radioterapia (terapia de rayos X), radiocirugía. Las universidades médicas gradúan especialistas altamente especializados: radiólogos.

Radiación X: daños y beneficios, efectos en el cuerpo

El alto poder de penetración y el efecto ionizante de los rayos X pueden provocar cambios en la estructura del ADN celular y, por tanto, suponer un peligro para los humanos. El daño de los rayos X es directamente proporcional a la dosis de radiación recibida. Los diferentes órganos responden a la radiación en distintos grados. Los más susceptibles incluyen:

médula ósea y tejido óseo;
cristalino del ojo;
tiroides;
glándulas mamarias y reproductivas;
Tejido pulmonar.

El uso incontrolado de la irradiación con rayos X puede provocar patologías reversibles e irreversibles.

Consecuencias de la irradiación de rayos X:

daño a la médula ósea y aparición de patologías del sistema hematopoyético: eritrocitopenia, trombocitopenia, leucemia;
daño al cristalino, con posterior desarrollo de cataratas;
mutaciones celulares que se heredan;
desarrollo de cáncer;
recibir quemaduras por radiación;
desarrollo de enfermedad por radiación.

¡Importante! A diferencia de las sustancias radiactivas, los rayos X no se acumulan en los tejidos del cuerpo, lo que significa que no es necesario eliminarlos del cuerpo. El efecto nocivo de la radiación de rayos X finaliza cuando se apaga el dispositivo médico.

El uso de radiación de rayos X en medicina está permitido no solo con fines de diagnóstico (traumatología, odontología), sino también con fines terapéuticos:

Los rayos X en pequeñas dosis estimulan el metabolismo en células y tejidos vivos;
Se utilizan ciertas dosis limitantes para el tratamiento de neoplasias oncológicas y benignas.

Métodos para diagnosticar patologías mediante rayos X.

El radiodiagnóstico incluye las siguientes técnicas:

La fluoroscopia es un estudio durante el cual se obtiene una imagen en una pantalla fluorescente en tiempo real. Junto con la adquisición clásica de una imagen de una parte del cuerpo en tiempo real, hoy en día existen tecnologías de transiluminación de televisión por rayos X: la imagen se transfiere desde una pantalla fluorescente a un monitor de televisión ubicado en otra habitación. Se han desarrollado varios métodos digitales para procesar la imagen resultante y luego transferirla de la pantalla al papel.
La fluorografía es el método más económico para examinar los órganos del tórax, que consiste en tomar una imagen a escala reducida de 7x7 cm y, a pesar de la probabilidad de error, es la única forma de realizar un examen anual masivo de la población. El método no es peligroso y no requiere la eliminación del cuerpo de la dosis de radiación recibida.
La radiografía es la producción de una imagen resumida en película o papel para aclarar la forma de un órgano, su posición o tono. Puede utilizarse para evaluar la peristalsis y el estado de las membranas mucosas. Si hay elección, entre los dispositivos de rayos X modernos no se debe dar preferencia a los dispositivos digitales, donde el flujo de rayos X puede ser mayor que el de los dispositivos antiguos, sino a los dispositivos de rayos X de dosis baja con plano directo. detectores de semiconductores. Le permiten reducir la carga sobre el cuerpo 4 veces.
La tomografía computarizada de rayos X es una técnica que utiliza rayos X para obtener la cantidad requerida de imágenes de secciones de un órgano seleccionado. Entre las muchas variedades de dispositivos de TC modernos, los tomógrafos computarizados de alta resolución y baja dosis se utilizan para una serie de estudios repetidos.

Radioterapia

La terapia con rayos X es un método de tratamiento local. Muy a menudo, el método se utiliza para destruir células cancerosas. Dado que el efecto es comparable a la extirpación quirúrgica, este método de tratamiento a menudo se denomina radiocirugía.

Hoy en día, el tratamiento con rayos X se realiza de las siguientes formas:

Externa (terapia de protones): un haz de radiación ingresa al cuerpo del paciente desde el exterior.
Interna (braquiterapia): el uso de cápsulas radiactivas implantándolas en el cuerpo, colocándolas más cerca del tumor canceroso. La desventaja de este método de tratamiento es que hasta que se extraiga la cápsula del cuerpo, es necesario aislar al paciente.

Estos métodos son suaves y en algunos casos su uso es preferible a la quimioterapia. Esta popularidad se debe al hecho de que los rayos no se acumulan y no requieren eliminación del cuerpo, tienen un efecto selectivo, sin afectar otras células y tejidos.

Límite de exposición segura a los rayos X

Este indicador de la norma de exposición anual permitida tiene su propio nombre: dosis equivalente genéticamente significativa (GSD). Este indicador no tiene valores cuantitativos claros.

Este indicador depende de la edad del paciente y del deseo de tener hijos en el futuro.
Depende de qué órganos fueron examinados o tratados.
El GZD está influenciado por el nivel de fondo radiactivo natural en la región donde vive una persona.

Hoy en día están vigentes los siguientes estándares GZD promedio:

el nivel de exposición de todas las fuentes, excepto las médicas, y sin tener en cuenta la radiación natural de fondo: 167 mrem por año;
la norma para un examen médico anual no supera los 100 mrem por año;
el valor total seguro es de 392 mrem por año.

La radiación de rayos X no requiere eliminación del cuerpo y es peligrosa sólo en caso de exposición intensa y prolongada. Los equipos médicos modernos utilizan irradiaciones de baja energía y corta duración, por lo que su uso se considera relativamente inofensivo.

RADIOGRAFÍA

radiación de rayos x Ocupa la región del espectro electromagnético entre la radiación gamma y ultravioleta y es una radiación electromagnética con una longitud de onda de 10 -14 a 10 -7 m. En medicina, radiación de rayos X con una longitud de onda de 5 x 10 -12 a 2,5 x 10 - Se utilizan 10 m, es decir, 0,05 - 2,5 angstroms, y para el diagnóstico por rayos X, 0,1 angstroms. La radiación es una corriente de cuantos (fotones) que se propaga linealmente a la velocidad de la luz (300.000 km/s). Estos cuantos no tienen carga eléctrica. La masa de un cuanto es una parte insignificante de una unidad de masa atómica.

Energía de cuantos Se mide en julios (J), pero en la práctica suelen utilizar una unidad no sistémica. "electrón-voltio" (eV) . Un electrón voltio es la energía que adquiere un electrón al atravesar una diferencia de potencial de 1 voltio en un campo eléctrico. 1 eV = 1,6 10~ 19 J. Las derivadas son el kiloelectrón-voltio (keV), igual a mil eV, y el megaelectrón-voltio (MeV), igual a un millón de eV.

Los rayos X se producen mediante tubos de rayos X, aceleradores lineales y betatrones. En un tubo de rayos X, la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo objetivo (decenas de kilovoltios) acelera los electrones que bombardean el ánodo. La radiación de rayos X se produce cuando los electrones rápidos se desaceleran en el campo eléctrico de los átomos de la sustancia anódica. (bremsstrahlung) o durante la reestructuración de las capas internas de los átomos. (radiación característica) . Radiación de rayos X característica tiene una naturaleza discreta y ocurre cuando los electrones de los átomos de la sustancia anódica se transfieren de un nivel de energía a otro bajo la influencia de electrones externos o cuantos de radiación. Rayos X Bremsstrahlung tiene un espectro continuo que depende del voltaje del ánodo en el tubo de rayos X. Al frenar en la sustancia anódica, los electrones gastan la mayor parte de su energía en calentar el ánodo (99%) y sólo una pequeña fracción (1%) se convierte en energía de rayos X. En el diagnóstico por rayos X, la radiación de bremsstrahlung se utiliza con mayor frecuencia.

Las propiedades básicas de los rayos X son características de toda radiación electromagnética, pero existen algunas características especiales. Los rayos X tienen las siguientes propiedades:

- invisibilidad - las células sensibles de la retina humana no reaccionan a los rayos X, ya que su longitud de onda es miles de veces más corta que la de la luz visible;

- propagación recta – los rayos se refractan, se polarizan (se propagan en un determinado plano) y se difractan, como la luz visible. El índice de refracción difiere muy poco de la unidad;

- poder de penetración - penetrar sin absorción significativa a través de capas significativas de sustancias opacas a la luz visible. Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es el poder de penetración de los rayos X;

- capacidad de absorción - tienen la capacidad de ser absorbidos por los tejidos del cuerpo; en esto se basan todos los diagnósticos radiológicos. La capacidad de absorción depende del peso específico del tejido (cuanto mayor, mayor será la absorción); del grosor del objeto; sobre la dureza de la radiación;

- acción fotográfica - descomponer los compuestos de haluros de plata, incluidos los que se encuentran en las emulsiones fotográficas, lo que permite obtener imágenes de rayos X;

- efecto luminiscente - provocan la luminiscencia de una serie de compuestos químicos (luminóforos), en esto se basa la técnica de transiluminación de rayos X. La intensidad del resplandor depende de la estructura de la sustancia fluorescente, su cantidad y la distancia a la fuente de rayos X. Los fósforos se utilizan no solo para obtener imágenes de los objetos en estudio en una pantalla fluoroscópica, sino también en radiografía, donde permiten aumentar la exposición a la radiación de la película radiográfica en el casete mediante el uso de pantallas intensificadoras, la capa superficial. que esté compuesto de sustancias fluorescentes;

- efecto de ionización - tienen la capacidad de provocar la desintegración de átomos neutros en partículas cargadas positiva y negativamente, en esto se basa la dosimetría. El efecto de la ionización de cualquier medio es la formación en él de iones positivos y negativos, así como de electrones libres de átomos y moléculas neutros de una sustancia. La ionización del aire en la sala de rayos X durante el funcionamiento del tubo de rayos X provoca un aumento de la conductividad eléctrica del aire y un aumento de las cargas eléctricas estáticas en los objetos del gabinete. Para eliminar tales efectos indeseables, se proporciona ventilación forzada y extracción en las salas de rayos X;

- efecto biológico - tener un impacto sobre objetos biológicos, en la mayoría de los casos este impacto es dañino;

- ley del cuadrado inverso - para una fuente puntual de radiación de rayos X, la intensidad disminuye en proporción al cuadrado de la distancia a la fuente.

En 1895, el físico alemán Roentgen, realizando experimentos sobre el paso de corriente entre dos electrodos en el vacío, descubrió que una pantalla cubierta con una sustancia luminiscente (sal de bario) brilla, aunque el tubo de descarga está cubierto con una pantalla de cartón negro; esto Así es como la radiación penetra a través de barreras opacas, llamadas rayos X. Se descubrió que la radiación de rayos X, invisible para los humanos, se absorbe en objetos opacos con mayor fuerza cuanto mayor es el número atómico (densidad) de la barrera, por lo que los rayos X atraviesan fácilmente los tejidos blandos del cuerpo humano, pero son retenidos por los huesos del esqueleto. Se han diseñado fuentes de potentes rayos X para permitir iluminar piezas metálicas y encontrar defectos internos en ellas.

El físico alemán Laue sugirió que los rayos X son la misma radiación electromagnética que los rayos de luz visible, pero con una longitud de onda más corta y se les aplican todas las leyes de la óptica, incluida la posibilidad de difracción. En óptica de luz visible, la difracción a nivel elemental se puede representar como la reflexión de la luz a partir de un sistema de líneas, una red de difracción, que se produce sólo en ciertos ángulos, y el ángulo de reflexión de los rayos está relacionado con el ángulo de incidencia. , la distancia entre las líneas de la red de difracción y la longitud de onda de la radiación incidente. Para que se produzca difracción, la distancia entre las líneas debe ser aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz incidente.

Laue sugirió que los rayos X tienen una longitud de onda cercana a la distancia entre los átomos individuales en los cristales, es decir. Los átomos del cristal crean una rejilla de difracción para los rayos X. Los rayos X dirigidos a la superficie del cristal se reflejaron en la placa fotográfica, tal como predecía la teoría.

Cualquier cambio en la posición de los átomos afecta el patrón de difracción y, al estudiar la difracción de rayos X, se puede descubrir la disposición de los átomos en un cristal y el cambio en esta disposición bajo cualquier influencia física, química y mecánica sobre el cristal.

Hoy en día, el análisis de rayos X se utiliza en muchos campos de la ciencia y la tecnología; con su ayuda se ha determinado la disposición de los átomos en materiales existentes y se han creado nuevos materiales con una estructura y propiedades determinadas. Los avances recientes en este campo (nanomateriales, metales amorfos, materiales compuestos) crean un campo de actividad para las próximas generaciones científicas.

Aparición y propiedades de la radiación de rayos X.

La fuente de rayos X es un tubo de rayos X que tiene dos electrodos: un cátodo y un ánodo. Cuando se calienta el cátodo, se produce la emisión de electrones; los electrones que escapan del cátodo son acelerados por el campo eléctrico y golpean la superficie del ánodo. Lo que distingue un tubo de rayos X de un tubo de radio convencional (diodo) es principalmente su mayor voltaje de aceleración (más de 1 kV).

Cuando un electrón sale del cátodo, el campo eléctrico lo obliga a volar hacia el ánodo, mientras que su velocidad aumenta continuamente; el electrón lleva un campo magnético, cuya fuerza aumenta al aumentar la velocidad del electrón. Al llegar a la superficie del ánodo, el electrón se desacelera bruscamente y aparece un pulso electromagnético con longitudes de onda en un cierto intervalo (bremsstrahlung). La distribución de la intensidad de la radiación en longitudes de onda depende del material del ánodo del tubo de rayos X y del voltaje aplicado, mientras que en el lado de la onda corta esta curva comienza con un cierto umbral de longitud de onda mínima, dependiendo del voltaje aplicado. La combinación de rayos con todas las longitudes de onda posibles forma un espectro continuo, y la longitud de onda correspondiente a la intensidad máxima es 1,5 veces la longitud de onda mínima.

A medida que aumenta el voltaje, el espectro de rayos X cambia drásticamente debido a la interacción de los átomos con electrones de alta energía y cuantos de rayos X primarios. Un átomo contiene capas internas de electrones (niveles de energía), cuyo número depende del número atómico (indicado por las letras K, L, M, etc.). Los electrones y los rayos X primarios eliminan los electrones de un nivel de energía a otro. Surge un estado metaestable y para la transición a un estado estable es necesario un salto de electrones en la dirección opuesta. Este salto va acompañado de la liberación de un cuanto de energía y la aparición de radiación de rayos X. A diferencia de los rayos X de espectro continuo, esta radiación tiene un rango de longitudes de onda muy estrecho y una alta intensidad (radiación característica) ( cm. arroz.). El número de átomos que determinan la intensidad de la radiación característica es muy grande; por ejemplo, para un tubo de rayos X con un ánodo de cobre con un voltaje de 1 kV y una corriente de 15 mA, 10 14 –10 15 átomos producen una radiación característica. radiación en 1 s. Este valor se calcula como la relación entre la potencia total de la radiación de rayos X y la energía de un cuanto de rayos X de la capa K (serie K de radiación característica de rayos X). La potencia total de la radiación de rayos X es sólo el 0,1% del consumo de energía, el resto se pierde principalmente debido a la conversión en calor.

Debido a su alta intensidad y estrecho rango de longitud de onda, los rayos X característicos son el principal tipo de radiación utilizada en la investigación científica y el control de procesos. Simultáneamente con los rayos de la serie K, se generan rayos de la serie L y M, que tienen longitudes de onda significativamente más largas, pero su uso es limitado. La serie K tiene dos componentes con longitudes de onda cercanas a y b, mientras que la intensidad del componente b es 5 veces menor que a. A su vez, la componente a se caracteriza por dos longitudes de onda muy cercanas, cuya intensidad es 2 veces mayor que la otra. Para obtener radiación con una longitud de onda (radiación monocromática), se han desarrollado métodos especiales que utilizan la dependencia de la absorción y difracción de los rayos X de la longitud de onda. Un aumento en el número atómico de un elemento está asociado con un cambio en las características de las capas de electrones, y cuanto mayor es el número atómico del material del ánodo del tubo de rayos X, más corta es la longitud de onda de la serie K. Los más utilizados son los tubos con ánodos fabricados con elementos con números atómicos de 24 a 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) y longitudes de onda de 2,29 a 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Además del tubo de rayos X, las fuentes de radiación de rayos X pueden ser isótopos radiactivos, algunos pueden emitir rayos X directamente, otros emiten electrones y partículas a que generan rayos X al bombardear objetivos metálicos. La intensidad de la radiación de rayos X de fuentes radiactivas suele ser mucho menor que la de un tubo de rayos X (con la excepción del cobalto radiactivo, que se utiliza para la detección de defectos y produce radiación de una longitud de onda muy corta: radiación g), son De tamaño pequeño y no requieren electricidad. Los rayos X sincrotrón se producen en aceleradores de electrones; la longitud de onda de esta radiación es significativamente más larga que la obtenida en los tubos de rayos X (rayos X blandos) y su intensidad es varios órdenes de magnitud mayor que la intensidad de la radiación de rayos X. tubos. También existen fuentes naturales de radiación de rayos X. Se han encontrado impurezas radiactivas en muchos minerales y se han registrado emisiones de rayos X de objetos espaciales, incluidas estrellas.

Interacción de rayos X con cristales.

En los estudios radiológicos de materiales con estructura cristalina se analizan los patrones de interferencia resultantes de la dispersión de los rayos X por los electrones pertenecientes a los átomos de la red cristalina. Los átomos se consideran inmóviles, no se tienen en cuenta sus vibraciones térmicas y todos los electrones de un átomo se consideran concentrados en un punto: un nodo de la red cristalina.

Para derivar las ecuaciones básicas de la difracción de rayos X en un cristal, se considera la interferencia de los rayos dispersados por átomos ubicados a lo largo de una línea recta en la red cristalina. Una onda plana de radiación monocromática de rayos X incide sobre estos átomos formando un ángulo cuyo coseno es igual a 0 . Las leyes de interferencia de los rayos dispersados por los átomos son similares a las que existen para una rejilla de difracción, que dispersa la radiación luminosa en el rango de longitud de onda visible. Para que las amplitudes de todas las vibraciones se sumen a una gran distancia de la fila atómica, es necesario y suficiente que la diferencia en las trayectorias de los rayos provenientes de cada par de átomos vecinos contenga un número entero de longitudes de onda. Cuando la distancia entre los átomos A esta condición se parece a:

A(a – un 0) =h yo,

donde a es el coseno del ángulo entre la fila atómica y el haz desviado, h – entero. En todas las direcciones que no satisfacen esta ecuación, los rayos no se propagan. Así, los rayos dispersos forman un sistema de conos coaxiales, cuyo eje común es la fila atómica. Las trazas de conos en un plano paralelo a la fila atómica son hipérbolas y en un plano perpendicular a la fila son círculos.

Cuando los rayos inciden en un ángulo constante, la radiación policromática (blanca) se descompone en un espectro de rayos desviados en ángulos fijos. Por tanto, la serie atómica es un espectrógrafo de rayos X.

La generalización a una red atómica bidimensional (plana) y luego a una red cristalina volumétrica (espacial) tridimensional da dos ecuaciones más similares, que incluyen los ángulos de incidencia y reflexión de la radiación de rayos X y las distancias entre átomos en tres direcciones. Estas ecuaciones se denominan ecuaciones de Laue y forman la base del análisis de difracción de rayos X.

Las amplitudes de los rayos reflejados desde planos atómicos paralelos se suman, etc. el número de átomos es muy grande, la radiación reflejada se puede detectar experimentalmente. La condición de reflexión se describe mediante la ecuación de Wulff-Bragg2d sinq = nl, donde d es la distancia entre planos atómicos adyacentes, q es el ángulo rasante entre la dirección del haz incidente y estos planos en el cristal, l es la longitud de onda del Radiación de rayos X, n es un número entero llamado orden de reflexión. El ángulo q es el ángulo de incidencia con respecto específicamente a los planos atómicos, que no necesariamente coinciden en dirección con la superficie de la muestra en estudio.

Se han desarrollado varios métodos de análisis de difracción de rayos X, utilizando tanto radiación de espectro continuo como radiación monocromática. El objeto en estudio puede ser estacionario o giratorio, puede constar de un cristal (monocristal) o de muchos (policristales); la radiación difractada se puede registrar mediante una película de rayos X plana o cilíndrica o un detector de rayos X que se mueve alrededor de una circunferencia, pero en todos los casos durante el experimento e interpretación de los resultados se utiliza la ecuación de Wulff-Bragg.

Análisis de rayos X en ciencia y tecnología.

Con el descubrimiento de la difracción de rayos X, los investigadores tuvieron a su disposición un método que permitió estudiar, sin necesidad de microscopio, la disposición de los átomos individuales y sus cambios bajo influencias externas.

La principal aplicación de los rayos X en la ciencia fundamental es el análisis estructural, es decir. establecer la disposición espacial de los átomos individuales en un cristal. Para ello, se cultivan monocristales y se realizan análisis de rayos X, estudiando tanto la localización como las intensidades de los reflejos. Ahora se han determinado las estructuras no sólo de los metales, sino también de sustancias orgánicas complejas, en las que las células unitarias contienen miles de átomos.

En mineralogía se han determinado las estructuras de miles de minerales mediante análisis de rayos X y se han creado métodos rápidos para analizar materias primas minerales.

Los metales tienen una estructura cristalina relativamente simple y el método de rayos X permite estudiar sus cambios durante diversos tratamientos tecnológicos y crear la base física de nuevas tecnologías.

La composición de fases de las aleaciones está determinada por la ubicación de las líneas en los patrones de difracción de rayos X, el número, tamaño y forma de los cristales están determinados por su ancho y la orientación de los cristales (textura) está determinada por la intensidad. distribución en el cono de difracción.

Mediante estas técnicas se estudian los procesos durante la deformación plástica, incluida la fragmentación de los cristales, la aparición de tensiones internas y las imperfecciones en la estructura cristalina (dislocaciones). Cuando se calientan materiales deformados, se estudia el alivio de tensiones y el crecimiento de cristales (recristalización).

El análisis de aleaciones por rayos X determina la composición y concentración de soluciones sólidas. Cuando aparece una solución sólida, las distancias interatómicas y, en consecuencia, las distancias entre planos atómicos cambian. Estos cambios son pequeños, por lo que se han desarrollado métodos de precisión especiales para medir los períodos de la red cristalina con una precisión dos órdenes de magnitud mayor que la precisión de la medición utilizando métodos de investigación de rayos X convencionales. La combinación de mediciones de precisión de los períodos de la red cristalina y el análisis de fases permite construir los límites de las regiones de fase en el diagrama de fases. El método de rayos X también puede detectar estados intermedios entre soluciones sólidas y compuestos químicos: soluciones sólidas ordenadas en las que los átomos de impurezas no están ubicados aleatoriamente, como en las soluciones sólidas, y al mismo tiempo no en un orden tridimensional, como en las químicas. compuestos. Los patrones de difracción de rayos X de soluciones sólidas ordenadas contienen líneas adicionales; la interpretación de los patrones de difracción de rayos X muestra que los átomos de impurezas ocupan ciertos lugares en la red cristalina, por ejemplo, en los vértices de un cubo.

Cuando se apaga una aleación que no sufre transformaciones de fase, puede surgir una solución sólida sobresaturada y, al calentarla más o incluso mantenerla a temperatura ambiente, la solución sólida se descompone con la liberación de partículas de un compuesto químico. Este es el efecto del envejecimiento y se manifiesta en las radiografías como un cambio en la posición y el ancho de las líneas. La investigación sobre el envejecimiento es especialmente importante para las aleaciones de metales no ferrosos; por ejemplo, el envejecimiento transforma una aleación de aluminio blanda y endurecida en un material estructural duradero, duraluminio.

Los estudios de rayos X del tratamiento térmico del acero son de gran importancia tecnológica. Durante el temple (enfriamiento rápido) del acero, se produce una transición de fase austenita-martensita sin difusión, lo que conduce a un cambio de estructura de cúbica a tetragonal, es decir. la celda unitaria toma la forma de un prisma rectangular. En las radiografías esto aparece como un ensanchamiento de las líneas y la división de algunas líneas en dos. Las razones de este efecto no son sólo un cambio en la estructura cristalina, sino también la aparición de grandes tensiones internas debido al desequilibrio termodinámico de la estructura martensítica y al enfriamiento repentino. Al templar (calentar el acero endurecido), las líneas en los patrones de difracción de rayos X se estrechan, esto se asocia con un retorno a la estructura de equilibrio.

En los últimos años, los estudios con rayos X del procesamiento de materiales con flujos de energía concentrados (rayos láser, ondas de choque, neutrones, pulsos de electrones) han adquirido gran importancia; requirieron nuevas técnicas y produjeron nuevos efectos de rayos X. Por ejemplo, cuando los rayos láser actúan sobre los metales, el calentamiento y el enfriamiento se producen tan rápidamente que, durante el enfriamiento, los cristales del metal sólo tienen tiempo de crecer hasta alcanzar el tamaño de varias células elementales (nanocristales) o no tienen tiempo de surgir en absoluto. Después de enfriarse, dicho metal parece un metal común, pero no da líneas claras en el patrón de difracción de rayos X, y los rayos X reflejados se distribuyen en todo el rango de ángulos rasantes.

Después de la irradiación con neutrones, aparecen puntos adicionales (máximos difusos) en los patrones de difracción de rayos X. La desintegración radiactiva también provoca efectos específicos de los rayos X asociados con cambios en la estructura, así como el hecho de que la propia muestra en estudio se convierte en una fuente de radiación de rayos X.

Al igual que la mayoría de los grandes descubrimientos de la historia de la humanidad, los rayos X se descubrieron por accidente. En 1895, el científico alemán Wilhelm Roentgen hizo un descubrimiento mientras realizaba un experimento con haces de electrones en un tubo de descarga de gas. Roentgen notó que la pantalla fluorescente de su laboratorio comenzaba a brillar mientras se activaba el flujo de electrones. Esto sería bastante común, ya que el material fluorescente debería brillar bajo la influencia de la radiación electromagnética, si no fuera por una cosa: el tubo estaba separado de la pantalla con una densa pantalla negra. Wilhelm sugirió que esto se debía a la radiación.

Roentgen continuó experimentando y colocó varios objetos entre la pantalla y el tubo y la pantalla siguió brillando. Finalmente, metió la mano delante del tubo y vio la silueta de unos huesos en la pantalla. Inmediatamente se mostró interés por su invento. Este descubrimiento es uno de los avances más significativos de la medicina, ya que permitió a los médicos mirar el interior de un paciente sin realizar una cirugía ni siquiera tocarlo.

Los rayos X tienen muchas similitudes con la luz visible ordinaria. Ambos son una corriente de energía electromagnética similar a una onda transportada por partículas llamadas fotones. La diferencia es la longitud de onda.

Los fotones de luz visible y los fotones de rayos X son producto del movimiento de los electrones en los átomos. Los electrones ocupan diferentes niveles de energía (orbitales) alrededor del núcleo de un átomo. Cuando un electrón pasa de un orbital superior a uno inferior, se libera algo de energía en forma de fotones. La cantidad de energía de los fotones liberados depende de qué tan lejos se ha movido el electrón, es decir, de qué tan profundo ha caído. Si un fotón choca con otro átomo, el átomo puede absorber la energía del fotón y mover sus electrones a un nivel superior si hay suficiente energía para hacerlo.

Los átomos que forman los tejidos del cuerpo humano absorben muy bien los fotones de la luz visible. Su nivel de energía es suficiente para transferir electrones a un nivel superior. Las ondas de radio no tienen suficiente energía para mover electrones entre órbitas. Al mismo tiempo, las ondas de rayos X atraviesan las cosas por una razón diferente: tienen demasiada energía. Aunque pueden perder algo de energía no sólo para transferir, sino incluso para arrancar electrones de los átomos, la mayoría de los rayos siguen atravesando materiales.

Los átomos pesados, como el plomo, tienen más probabilidades de absorber rayos X porque requieren mucha energía para transferir sus electrones a niveles externos. Y los átomos ligeros, de los que se componen predominantemente los tejidos de nuestro cuerpo, tienen menos posibilidades de absorber fotones, ya que tienen una distancia entre niveles mucho menor y simplemente no pueden aceptar ("dominar") la alta energía de los rayos X. Los átomos de calcio son mucho más grandes que los elementos químicos que forman otros tejidos, por lo que absorben parte de la energía y parecen más claros en las fotografías.

Como se mencionó anteriormente, la aplicación más importante de los rayos X se encontró en la máquina de rayos X, cuyo diseño se parece mucho al experimento realizado por su descubridor. En el corazón de cualquier máquina de rayos X se encuentra una fuente de rayos X. Éste, a su vez, es un tubo lleno de gas con electrodos positivos (cátodo) y negativos (ánodo). El cátodo es un filamento y el ánodo es un disco de tungsteno. Cuando una corriente eléctrica pasa a través del filamento, se calienta y libera electrones de su superficie. El ánodo, a su vez, los atrae a través del medio gaseoso, dando como resultado una diferencia de potencial muy grande. Los electrones que atraviesan esta gran barrera, golpeando el ánodo, eliminan los electrones de tungsteno de los niveles de energía superiores directamente a los inferiores, como resultado de lo cual una gran parte de la energía se libera en forma de fotón, que es un componente del flujo de rayos X.

El tubo donde se coloca el dispositivo está rodeado por todos lados por una funda de plomo, que evita la emisión caótica de fotones en todas direcciones. Hay una única rendija en el caparazón que establece la dirección del movimiento de los rayos X. A cierta distancia del tubo se coloca una cámara que capta fotones, y entre la cámara y el tubo se coloca un paciente (su brazo, pierna, etc.) que necesita ser examinado. Por lo tanto, algunos fotones serán absorbidos por los huesos y los tejidos densos, y otros volarán a través de los tejidos blandos y golpearán la cámara. La silueta formada en la pantalla dará una imagen de la estructura interna del cuerpo.

A pesar de todos los aspectos positivos de las radiografías, también tienen un importante factor negativo. En los primeros días del uso de máquinas de rayos X, los médicos exponían a los pacientes a una radiación de duración y potencia prohibitivas, lo que finalmente condujo al desarrollo de enfermedades por radiación en ambos. Esto se debe a que los rayos X son una forma de radiación ionizante. Bajo su influencia, algunos electrones son eliminados de las capas exteriores de los átomos, lo que conduce a la ionización del material que forman. Esto, a su vez, puede provocar la destrucción de las células de los tejidos blandos, lo que posteriormente puede provocar cáncer, infertilidad, mutaciones y otras consecuencias extremadamente negativas.

Sin embargo, no vale la pena, tienen miedo a la radiación de rayos X. Las máquinas de rayos X modernas utilizan porciones muy pequeñas de rayos. Si no realiza este examen con demasiada frecuencia, el efecto negativo será extremadamente pequeño. Por eso, hoy en día en casi todos los hospitales se puede encontrar una sala de rayos X, sin la cual es difícil imaginar el tratamiento de muchas enfermedades y lesiones.

Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética de alta energía. Se utiliza activamente en diversas ramas de la medicina.

Los rayos X son ondas electromagnéticas cuya energía fotónica en la escala de ondas electromagnéticas se encuentra entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma (de ~10 eV a ~1 MeV), que corresponde a longitudes de onda de ~10^3 a ~10^-2 angstroms (de ~10^-7 a ~10^-12 m). Es decir, se trata de una radiación incomparablemente más dura que la luz visible, que se encuentra en esta escala entre los rayos ultravioleta y los infrarrojos ("térmicos").

El límite entre los rayos X y la radiación gamma se distingue condicionalmente: sus rangos se cruzan, los rayos gamma pueden tener una energía de 1 keV. Se diferencian en su origen: los rayos gamma se emiten durante procesos que ocurren en los núcleos atómicos, mientras que los rayos X se emiten durante procesos que involucran electrones (tanto libres como aquellos ubicados en las capas electrónicas de los átomos). Al mismo tiempo, es imposible determinar a partir del propio fotón durante qué proceso surgió, es decir, la división en los rangos de rayos X y gamma es en gran medida arbitraria.

El rango de rayos X se divide en “rayos X blandos” y “duros”. El límite entre ellos se encuentra en una longitud de onda de 2 angstroms y 6 keV de energía.

Un generador de rayos X es un tubo en el que se crea un vacío. Allí se encuentran electrodos: un cátodo al que se aplica una carga negativa y un ánodo cargado positivamente. El voltaje entre ellos es de decenas a cientos de kilovoltios. La generación de fotones de rayos X se produce cuando los electrones se “desprenden” del cátodo y chocan contra la superficie del ánodo a gran velocidad. La radiación de rayos X resultante se llama “bremsstrahlung”; sus fotones tienen diferentes longitudes de onda.

Al mismo tiempo se generan fotones del espectro característico. Algunos de los electrones de los átomos de la sustancia anódica se excitan, es decir, se mueven a órbitas más altas y luego regresan a su estado normal, emitiendo fotones de una determinada longitud de onda. En un generador estándar se producen ambos tipos de radiación de rayos X.

Historia del descubrimiento

El 8 de noviembre de 1895, el científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen descubrió que ciertas sustancias comenzaban a brillar cuando se exponían a “rayos catódicos”, es decir, una corriente de electrones generada por un tubo de rayos catódicos. Explicó este fenómeno por la influencia de ciertos rayos X; así se llama ahora a esta radiación en muchos idiomas. Más tarde V.K. Roentgen estudió el fenómeno que descubrió. El 22 de diciembre de 1895 presentó un informe sobre este tema en la Universidad de Würzburg.

Más tarde resultó que la radiación de rayos X se había observado antes, pero luego no se le dio mucha importancia a los fenómenos asociados con ella. El tubo de rayos catódicos se inventó hace mucho tiempo, pero antes de que V.K. Nadie prestó mucha atención a las radiografías sobre el ennegrecimiento de las placas fotográficas cercanas, etc. fenómenos. Tampoco se conocía el peligro que representaba la radiación penetrante.

Tipos y sus efectos en el organismo.

Los “rayos X” son el tipo más leve de radiación penetrante. La exposición excesiva a los rayos X suaves se asemeja a los efectos de la radiación ultravioleta, pero en una forma más grave. Se forma una quemadura en la piel, pero el daño es más profundo y sana mucho más lentamente.

La radiografía dura es una radiación ionizante en toda regla que puede provocar enfermedades por radiación. Los cuantos de rayos X pueden romper las moléculas de proteínas que forman los tejidos del cuerpo humano, así como las moléculas de ADN del genoma. Pero incluso si el cuanto de rayos X rompe una molécula de agua, no importa: en este caso se forman radicales libres químicamente activos H y OH, que son capaces de afectar a las proteínas y al ADN. La enfermedad por radiación se presenta en una forma más grave cuanto más afectados se ven los órganos hematopoyéticos.

Los rayos X tienen actividad mutagénica y cancerígena. Esto significa que aumenta la probabilidad de que se produzcan mutaciones espontáneas en las células durante la irradiación y, a veces, las células sanas pueden degenerar en cancerosas. Una mayor probabilidad de desarrollar tumores malignos es una consecuencia estándar de cualquier exposición a la radiación, incluidos los rayos X. Los rayos X son el tipo de radiación penetrante menos peligrosa, pero aun así pueden ser peligrosos.

Radiación de rayos X: aplicación y cómo funciona

La radiación de rayos X se utiliza en medicina, así como en otras áreas de la actividad humana.

Fluoroscopia y tomografía computarizada.

El uso más común de los rayos X es la fluoroscopia. Las "radiografías" del cuerpo humano le permiten obtener una imagen detallada de ambos huesos (son visibles con mayor claridad) e imágenes de los órganos internos.

La diferente transparencia de los tejidos corporales en los rayos X está asociada a su composición química. Las características estructurales de los huesos son que contienen mucho calcio y fósforo. Otros tejidos se componen principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Un átomo de fósforo pesa casi el doble que un átomo de oxígeno y un átomo de calcio 2,5 veces (el carbono, el nitrógeno y el hidrógeno son incluso más ligeros que el oxígeno). En este sentido, la absorción de fotones de rayos X en los huesos es mucho mayor.

Además de las “instantáneas” bidimensionales, la radiografía permite crear una imagen tridimensional de un órgano: este tipo de radiografía se llama tomografía computarizada. Para estos fines se utilizan rayos X suaves. La cantidad de radiación recibida de una imagen es pequeña: es aproximadamente igual a la radiación recibida durante un vuelo de dos horas en un avión a una altitud de 10 km.

La detección de defectos por rayos X le permite detectar defectos internos menores en los productos. Utiliza rayos X duros, ya que muchos materiales (el metal, por ejemplo) son poco “transparentes” debido a la elevada masa atómica de su sustancia constituyente.

Análisis de difracción de rayos X y fluorescencia de rayos X.

Los rayos X tienen propiedades que les permiten examinar átomos individuales en detalle. El análisis de difracción de rayos X se utiliza activamente en química (incluida la bioquímica) y cristalografía. El principio de su funcionamiento es la dispersión por difracción de rayos X sobre átomos de cristales o moléculas complejas. Mediante análisis de difracción de rayos X, se determinó la estructura de la molécula de ADN.

El análisis de fluorescencia de rayos X le permite determinar rápidamente la composición química de una sustancia.

Existen muchas formas de radioterapia, pero todas implican el uso de radiación ionizante. La radioterapia se divide en 2 tipos: corpuscular y ondulatoria. Corpuscular utiliza flujos de partículas alfa (núcleos de átomos de helio), partículas beta (electrones), neutrones, protones e iones pesados. Wave utiliza rayos del espectro electromagnético: rayos X y gamma.

Los métodos de radioterapia se utilizan principalmente para el tratamiento del cáncer. El hecho es que la radiación afecta principalmente a las células que se dividen activamente, razón por la cual los órganos hematopoyéticos sufren tanto (sus células se dividen constantemente, produciendo cada vez más glóbulos rojos nuevos). Las células cancerosas también se dividen constantemente y son más vulnerables a la radiación que el tejido sano.

Se utiliza un nivel de radiación que suprime la actividad de las células cancerosas y al mismo tiempo tiene un efecto moderado en las células sanas. Bajo la influencia de la radiación, no se produce la destrucción de las células como tales, sino el daño a su genoma: las moléculas de ADN. Una célula con un genoma destruido puede existir durante algún tiempo, pero ya no puede dividirse, es decir, el crecimiento del tumor se detiene.

La terapia con rayos X es la forma más suave de radioterapia. La radiación de ondas es más suave que la radiación corpuscular y los rayos X son más suaves que la radiación gamma.

Durante el embarazo

El uso de radiaciones ionizantes durante el embarazo es peligroso. Los rayos X son mutagénicos y pueden causar problemas en el feto. La terapia con rayos X es incompatible con el embarazo: sólo se puede utilizar si ya se ha decidido abortar. Las restricciones a la fluoroscopia son más leves, pero en los primeros meses también está estrictamente prohibida.

Si es absolutamente necesario, el examen de rayos X se sustituye por una resonancia magnética. Pero en el primer trimestre también intentan evitarlo (este método apareció recientemente y podemos decir con absoluta certeza que no tiene consecuencias nocivas).

Surge un claro peligro cuando se expone a una dosis total de al menos 1 mSv (en unidades antiguas, 100 mR). Con una radiografía simple (por ejemplo, durante una fluorografía), el paciente recibe aproximadamente 50 veces menos. Para recibir dicha dosis al mismo tiempo, debe someterse a una tomografía computarizada detallada.

Es decir, el hecho de una "radiografía" 1-2 x en sí mismo en una etapa temprana del embarazo no amenaza con consecuencias graves (pero es mejor no correr riesgos).

tratamiento con eso

Los rayos X se utilizan principalmente en la lucha contra los tumores malignos. Este método es bueno porque es muy eficaz: mata el tumor. Es malo porque a los tejidos sanos les va poco mejor y existen numerosos efectos secundarios. Los órganos hematopoyéticos corren especial peligro.

En la práctica, se utilizan varios métodos para reducir el impacto de los rayos X en el tejido sano. Los rayos se dirigen en ángulo para que el tumor quede en el área de su intersección (debido a esto, la principal absorción de energía ocurre allí mismo). A veces, el procedimiento se realiza en movimiento: el cuerpo del paciente gira con respecto a la fuente de radiación alrededor de un eje que pasa a través del tumor. En este caso, los tejidos sanos se encuentran en la zona de irradiación sólo ocasionalmente y los tejidos enfermos están constantemente expuestos.

Los rayos X se utilizan en el tratamiento de determinadas artrosis y enfermedades similares, así como enfermedades de la piel. En este caso, el síndrome de dolor se reduce entre un 50 y un 90%. Dado que la radiación utilizada es más suave, no se observan efectos secundarios similares a los que se producen en el tratamiento de tumores.