См. также № 2/06

К.Ю. БОГДАНОВ,
школа № 1326, г. Москва
Kbogdanov@mtu-net.ru

Где собака зарыта?

6. Можно ли видеть сквозь стену?

Мы привыкли, что многие тела непрозрачны. Фотоны видимого света не могут прорваться внутрь и «осветить эти тела изнутри» из-за своей низкой энергии. Кроме того, длины волн видимого света (400–700 нм) гораздо больше промежутков между атомами. сделать непрозрачные тела прозрачными можно, используя излучение очень короткой длины волны. Такое излучение было открыто немецким физиком В.Рентгеном 110 лет назад.

Рентген – первый лауреат Нобелевской премии. В 1895 г. Вильгельм Рентген открыл неизвестные ранее лучи (X-лучи), проникающие через непрозрачные преграды. Сообщение вызвало огромный интерес, и медики сразу осознали значение рентгеновского излучения для диагностики. Х-лучи стали сенсацией, о которой раструбили по всему миру газеты и журналы, и в 1901 г. Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике, хотя об истинной природе Х-лучей было известно очень мало. При вручении премии было сказано: «Нет сомнения в том, сколь большого успеха достигнет физическая наука, когда эта неведомая раньше форма энергии будет достаточно исследована». Понадобилось около 10 лет для объяснения волновой природы
Х-лучей, а впоследствии за работы в области рентгеновских лучей было присуждено ещё семь нобелевских премий. Кроме того, рентгеновским лучам обязаны такие великие открытия, как расшифровка структуры молекул гемоглобина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, ответственных за фотосинтез (премии 1962 и 1988 гг.).

«Вышлите мне немного лучей в конверте». Через год после открытия X-лучей Рентген получил письмо от английского моряка: «Сэр, со времён войны у меня в груди застряла пуля, но её никак не могут удалить, поскольку её не видно. И вот я услышал, что Вы нашли лучи, через которые мою пулю можно увидеть. Если это возможно, вышлите мне немного лучей в конверте, доктора найдут пулю, и я вышлю Вам лучи назад». Ответ Рентгена был следующим: «В данный момент я не располагаю таким количеством лучей. Но если Вам не трудно, вышлите мне свою грудную клетку, я найду пулю и отошлю Вам грудную клетку назад».

Что такое Х-лучи. Рентгеновская трубка – это стеклянная колба, из которой откачан воздух до давления менее 0,1 Па и находятся электроды – катод К и анод А, между которыми приложено постоянное напряжение U_А =  1...10 000 кВ. Электроны, вылетающие из раскалённой нити катода, разгоняются под действием электрического поля и сталкиваются с поверхностью анода.

Электрон, столкнувшийся с атомом на поверхности анода, может либо отклониться вследствие взаимодействия с его ядром (так же, как комета отклоняется ближайшей планетой вследствие притяжения к ней), либо вышибить один из электронов внутренней оболочки атома, т.е. ионизировать его. В первом случае замедление электрона приводит к излучению фотона рентгеновского излучения, длина волны которого может лежать в диапазоне 0,01–10 нм (непрерывный спектр). Интенсивность такого излучения пропорциональна атомному номеру (заряду ядра Z) химического элемента, из которого сделан анод. Чем выше номер элемента, тем больше его ядро может затормозить летящий электрон, и тем большей энергией будет обладать фотон рентгеновского излучения. Ну и, конечно, чем большее напряжение приложено между катодом и анодом рентгеновской трубки, тем больше мощность рентгеновских лучей. При этом минимальная длина волны рентгеновского фотона уменьшается, а его энергия увеличивается с ростом напряжения между электродами.

Два механизма генерации рентгеновского излучения: а – отклонение электрона ядром атома; б – ионизация атома с последующей заменой выбитого электрона

Во втором случае место выбитого электрона сразу занимает электрон с более «высокой» оболочки, а разница их потенциальных энергий выделяется в виде рентгеновского фотона соответствующей частоты. Так, например, из алюминия (Z = 13) выбивают фотоны длиной волны 0,8 нм, из меди (Z = 29) – 0,15 нм, а из платины (Z = 78) – 0,02 нм. Эти длины волн назвали характеристическими, т.к. они характеризуют материал, из которого сделан анод рентгеновской трубки. Поэтому спектр рентгеновского излучения выглядит, как наложение на плавную кривую (первый механизм) пиков, соответствующих характеристическим частотам материала анода. Согласно закону Мозли, длины волн характеристического излучения уменьшаются обратно пропорционально атомному номеру элемента, Z.

Из всей мощности, подводимой к рентгеновской трубке, в рентгеновское излучение преобразуется не более 1%, а вся остальная превращается в тепло, разогревающее анод. Поэтому анод приходится охлаждать и делать его из тугоплавкого металла, например, вольфрама.

Зависимость мощности рентгеновского излучения медного анода от длины волны (спектр). Пики характеристического излучения соответствуют переходу электронов с M- и L-оболочек на место выбитого электрона K-оболочки

Что такое рентгеновская спектроскопия? Каждый химический элемент особенно сильно поглощает рентгеновское излучение строго определённой, характеристической длины волны. При этом происходит переход атома из нормального состояния в ионизованное, с одним удалённым электроном. Поэтому, измеряя частоты рентгеновского излучения, на которых поглощение особенно велико, можно сделать вывод о том, какие элементы и в каком отношении входят в состав вещества. Это и составляет основу рентгеновской спектроскопии материалов.

Почему кости останавливают рентгеновские лучи? Проникающая способность рентгеновских лучей, а другими словами, их жёсткость, зависит от энергии их фотонов: фотоны более короткой длины волны проникают глубже. Принято называть излучение длиной волны, большей 0,1 нм, мягким, а остальное – жёстким. Как следует из таблицы, для диагностических целей следует использовать жёсткое излучение длиной волны не более 0,01 нм, иначе рентгеновские лучи не пройдут через тело.

Оказалось, что вещество тем больше поглощает рентгеновское излучение, чем больше плотность материала: I = , где I₀ – первоначальная интенсивность излучения, I – его интенсивность после прохождения через материал плотностью и толщиной x, m – коэффициент, зависящий от материала. Более точно: поглощение определяется числом атомов в единице объёма и пропорционально кубу атомного номера Z в таблице Менделеева. Таким образом, чем больше атомов на своём пути встретит рентгеновское излучение и чем больше электронов будет в оболочках этих атомов, тем больше вероятность поглощения фотона.

Люди, прячущиеся внутри металлического контейнера

Поэтому в теле человека рентгеновские лучи сильнее всего поглощаются в костях, плотность которых относительно высока и в которых много атомов кальция (Z = 20). При прохождении лучей через кость интенсивность излучения уменьшается вдвое через каждые 1,2 см. Кровь, мышцы, жир и желудочно-кишечный тракт гораздо меньше поглощают рентгеновское излучение (слой ткани толщиной 3,5 см уменьшает вдвое). Ну а меньше всего задерживает излучение воздух в лёгких (вдвое при толщине слоя 192 м). Поэтому кости в рентгеновских лучах отбрасывают тень на фотоплёнку, и в этих местах она остаётся прозрачной. Там же, где лучам удалось засветить плёнку, она делается тёмной, и врачи видят пациента «насквозь».

Если необходимо увидеть желудок, пациенту дают выпить раствор солей бария (Z = 56), которые сразу же становятся заметными на рентгеновском снимке, т.к. сильно поглощают излучение. Безвредные соли, содержащие атомы с высоким Z, вводятся и для того, чтобы сделать видимыми различные кровеносные сосуды человека.

В наше время рентгенологические исследования в большинстве случаев проходят без фотоплёнки, а прошедшее через пациента излучение делается видимым с помощью специальных люминофоров. Этот метод, названный флюорографией, позволяет в несколько раз снизить интенсивность излучения при обследованиях и сделать его безопасным.

То, что рентгеновское излучение больше поглощается более плотными предметами и тяжёлыми атомами, делает его незаменимым при различных видах досмотра. Так, просвечивание позволяет определить контуры предметов из тяжёлых металлов, например, оружие или золото. Однако на просвет определить алмазы, наркотики или взрывчатку невозможно, т.к. они практически не поглощают рентгеновское излучение.

Упаковки с наркотиком, спрятанные в автомобиле

Как рентгеновские лучи видят лёгкие атомы? Чем меньше заряд ядра атома, тем больше энергии передают электронам рентгеновские лучи. Другими словами, рентгеновское излучение обладает способностью рассеиваться (явление Комптона) в веществе, состоящем из лёгких атомов. Тяжёлые атомы в большей степени поглощают рентгеновское излучение, чем рассеивают его, т.к. их электроны очень сильно связаны с ядром. Таким образом, материалы, содержащие только лёгкие элементы (например, водород, углерод, азот и кислород), часть рент-геновского излучения возвращают обратно, уменьшив его жёсткость (увеличив длину волны). Этим пользуются для обнаружения взрывчатки или наркотиков в металлическом ящике, или людей, прячущихся внутри контейнера.

Продолжение в № 6