Что такое рентгеновские лучи?

Если бы наши глаза могли видеть формы электромагнитного излучения, такие как рентгеновские лучи, смотреть на тело людей или животных было бы совершенно фантасмагорическим опытом. Мы могли бы смотреть прямо в кожу и прямо в кости. Возможно, это хорошо, что у нас нет этой способности, но мы все еще пожинаем плоды рентгеновских лучей. Они имеют огромное значение в медицинской диагностике, полезны в научных исследованиях и пригодны для ряда промышленных применений. Прежде чем мы углубимся в детали того, что же такое рентгеновские лучи и как они используются, давайте сначала посмотрим на захватывающую историю открытия рентгеновских лучей.

Открытие рентгеновских лучей

В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген проводил эксперимент с катодной трубкой - стеклянным контейнером, в котором пучок электронов освещает флуоресцентную поверхность. Рентген затем обернул картон вокруг трубки, чтобы предотвратить выход флуоресцентного света. Через некоторое время он заметил что-то странное ... другой экран снаружи трубки светился!

Другими словами, невидимые лучи просочились через стекло, обошли картон и вышли на экран снаружи. Рентген не смог понять, что это за лучи света, поэтому из-за их неизвестной природы он назвал их рентгеновскими. На самом деле, за открытие рентгеновских лучей Рентген был удостоен первой в истории Нобелевской премии в 1901 году.

Сегодня мы знаем, что происходило в его лаборатории все эти годы назад.

Когда электроны высокой энергии в катодной трубке ударяются о металлический компонент, они либо задерживаются и высвобождают дополнительную энергию, либо запускают электроны из атомов, которых они ударяют, вызывая перестановку, которая также выделяет энергию. В обоих случаях излучаемая энергия имеет вид рентгеновских лучей, типа электромагнитного излучения с большей энергией, чем у видимого света.

Рентгеновские лучи

Проще говоря, рентгеновские лучи - это сверхмощная форма обычного света - волны, которые движутся по прямым линиям со скоростью света, но имеют очень высокую энергию.

Если бы вы могли закрепить рентгеновские лучи на листе бумаги и измерить их, вы бы обнаружили, что длина волны рентгеновского излучения в тысячи раз короче длины волны обычного света. Это означает, что их частота (как часто они колеблются) соответственно выше. Энергия электромагнитных волн напрямую связана с частотой этих волн.

Рентгеновские лучи, являющиеся высокочастотными волнами (в диапазоне от 3 × 10 16 Гц до 3 × 10 19Гц) очень энергичны и поэтому более проницательны, чем обычные световые волны. В результате световые волны имеют ограниченную способность проходить; при ударе твердым (непрозрачным) материалом он перестает двигаться дальше. Тем не менее благодаря своей энергетической природе, рентгеновские лучи могут путешествовать гораздо глубже, чем обычный свет; хотя они могут быть остановлены материалом с очень большим количеством электронов (более высокий атомный номер).

Теперь давайте подробно рассмотрим проникающую способность и ограничения рентгеновских лучей.

Когда дело доходит до обычного света, мы знаем, что некоторые (прозрачные) материалы, такие как стекло или пластик, позволяют световым волнам через них легко проходить. Тем не менее некоторые другие (непрозрачные) материалы, такие как дерево и металл, поглощают световые лучи, не давая им идти дальше. Примерно таким же образом существуют материалы, которые позволяют рентгеновским лучам проходить через них, в то время как другие затрудняют рассеивание рентгеновских лучей через них. Есть даже несколько материалов, которые полностью останавливают рентгеновские лучи. Почему это происходит?

Когда рентгеновские лучи проникают в любой материал, они должны пробиваться сквозь толпу атомов, чтобы выйти с другой стороны материала. Именно электроны представляют собой самую большую проблему для рентгеновских лучей, чтобы пройти через материал. Чем больше электронов, тем труднее становится для рентгеновских лучей путешествовать, поскольку все больше и больше энергии поглощается сталкивающимися электронами материала. Тем не менее рентгеновские лучи достаточно сильны, чтобы пройти через материал с меньшим количеством электронов. Наша кожа, сделанная из молекул на основе углерода, является очень хорошим примером материала, позволяющего обходить рентгеновские лучи. Напротив, когда рентгеновские лучи сталкиваются с сильным материалом со многими электронами (более высокий атомный номер), они блокируются. Свинец (Pb), тяжелый металл с 82 электронами, особенно эффективен для остановки рентгеновских лучей.

Теперь, когда мы понимаем научную основу этой формы электромагнитного излучения, давайте рассмотрим некоторые из наиболее полезных применений рентгеновского излучения.

Применение рентгеновских лучей

Медикаменты

Рентген впервые нашел свое применение в медицине сто лет назад; сегодня миллионы рентгеновских снимков проводятся каждый год по всему миру. Они являются одним из самых полезных инструментов в медицинской науке для диагностики и лечения. Кости и зубы, сделанные в основном из кальция, очень твердые и не позволяют рентгенам проходить через них. Однако наша кожа и мышцы состоят из мягких тканей, состоящих из органических материалов, таких как углерод, водород, кислород и т. Д., Каждый из которых имеет более низкий атомный номер, что означает, что рентгеновским лучам легче их обойти. Вот почему, глядя на рентгеновский снимок, он выглядит как тени различных вещей внутри вашего тела, но на самом деле это очень полезно в медицинской диагностике. Рентген может обнаружить переломы костей, опухоли в клетках и определенные заболевания легких, такие как эмфизема и туберкулез.

Безопасность

Точно так же, как рентген может помочь сканировать ключевые области внутри нашего тела, они также могут быть полезны при проверке того, что находится внутри наших сумок на контрольно-пропускных пунктах в аэропортах. Рентгеновские лучи могут проходить через мягкие материалы, такие как пластик или кожа, но поглощаются тяжелыми материалами, которые часто используются в оружии и боеприпасах, включая ножи, пистолеты и другое оружие. Как правило, сотрудники службы безопасности имеют экран монитора, который транслирует внутреннюю часть чемоданов и сумок в режиме реального времени, поэтому сотрудник полиции может наблюдать за любыми подозрительными / запрещенными материалами.

Научное исследование

Помимо медицины, одним из самых ранних применений рентгеновских лучей было изучение внутренней структуры материалов. Когда пучок рентгеновских лучей направлен на кристалл, атомы точно рассеивают его, создавая виртуальную тень от внутренней структуры кристалла. Таким образом, исследователи могут измерить расстояние между атомами. Это называется рентгеновской кристаллографией или рентгеновской дифракцией. Эта техника сыграла решающую роль в открытии структуры ДНК в 1950-х годах.