1 Рентгеновское (Х) излучение, его виды, спектры.

1 Рентгеновское (Х) излучение, его виды, спектры. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Радиоактивность, виды радиоактивного распада. Ионизирующие излучения. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Дозиметрия ионизирующего излучения. Лекция

2 Связь с последующей деятельностью Изучение курса «Биофизика» : 1. Рентгеноструктурный анализ 2. Рентгеновская томография 3. Воздействие ионизирующих излучений на биообъекты Практическое применение: 1. Рентгеновские методы диагностики и сопровождения 2. Защита от ионизирующих излучений

31. Внесистемная единица измерения энергии 1 э. В 19 19 1 э. В 1, 60 10 Кл 1 В 1, 60 10 Дж Энергия ионизации атома водорода: 2, 18 · 10 -18 Дж = 13, 6 э. ВОтступления от общего правила для микромира: Энергия кванта видимого света λ = 555 нм ε λ c h 8 34 9 3, 00 10 6, 63 10 555 10 19 3, 58 10 Дж 2, 24 э. В

42 cm. E 1 а. е. м. ~ 931, 5 Мэ. В 2. Внесистемная единица измерения массы: 1 а. е. м. = 1, 6606 · 10 -27 кг. Связь между энергией и массой (Эйнштейн): Масса электрона: 31 9, 11 10 emкг Полная энергия покоящегося электрона: 231 8 09, 11 10 3, 00 10 E 14 8, 20 10 Дж 0, 513 Мэ. В

5 История Вильгельм Конрад Рентген – НП № 1 1901 год 8 ноября 1895 (1887 – Никола Тесла) Исследование катодных пучков (лучей): Катод (-) Термоэлектронная эмиссия Анод (+) Термоэлектрон. Q Х – лучи Следствие: свечение платиносинеродистого бария 4 Ba Pt CN

6 Источник Х – лучей: Вакуумированная трубка (-) подогреваемый катод (К) Термоэлектрон (+) охлаждаемый анод (антикатод) (А) Пучок термоэлектронов, ускоряемых электрическим полем между К и А Х — излучение a. Q

7 Доказательство волновой природы Х – лучей: Расстояние между «щелями» : d ≈ λ → монокристаллг о р и з о н т а л ь н ы е а т о м н ы е п л о с к о с т и «наклонные» атомные плоскости

8α d O A BC 1 2 Интерференция когерентных лучей 1 и 22 : OA AB 1 : OC разность хода лучей 1 и 2 OCABOA 2 sinαd вывести

9 Формула Вульфа – Брэггов Zkkd , sin 2 Максимум интерференции (дифракции) Х – лучей наблюдается при условии: Идея рентгеноструктурного анализа и РТ: ИРИ Исследуемый образец ПРИ 1 2 Один эксперимент – два важных вывода:

10 Спектр рентгеновского излучения: распределение энергии РИ по длинам волн r λ , U λλ 0λ , (λ, ) λ U d. W r f U d. S dt d

11 Тормозная часть спектра рентгеновского излучения r λ , U λλ 0 1 U 1 λ 02 U 2 > U

12 Теория Максвелла: источник ЭМВ – движущийся с ускорением электрический заряд, например: электрон, разогнанный электрическим полем и, затем, тормозящий в мишениe. W e U Энергия электрона, ускоренного электрическим полем: ε ν λ e c W Q h Q Закон сохранения энергии: Q ε ν λ c h h

13 min 0 Q max min ε ε ν λ e c h h W e U maxν e U h minλ hc e U Энергия Х – кванта: ε ν λ ec h h W Q max e. Q W minε ε 0 minν max λ

14 Очень грубая модель энергетического состояния электрона, связанного с атомом: ступеньки разной высоты и шириныmin 1 OCHE E E Ступеньки возбужденных состояний 2 1 E Ef 2 1 P P p 3 2 E E f 3 2 P Pp. Е – энергия данного состояния; 1 max. P P Р – вероятность состояния (ширина ступеньки) Основное состояние Карьерная лестница max. Е

15 min 1 OCHE E E 2 1 E Ef 2 1 P P p 3 2 E E f 3 2 P Pp 1 max. P P Электрон в основном состоянии В н е ш н е е в о зд е й с т в и е : ε = h ν > Е 2 – Е 1 Возможен только квантовый переход из одного состояния в другое, минуя промежуточные состояния

16 min 1 OCHE E E 2 1 E Ef 2 1 P P p 3 2 E E f 3 2 P Pp 1 max. P P Основное состояние Вероятность состояния 3 меньше, чем 1 или 2, происходит самопроизвольный процесс Квант излучения: ε 32 = hν 32 = Е 3 – Е 2 К вант излучения: ε 21 = hν 21 = Е 2 – Е 1 К вант: ε 31 = hν 31 = Е 3 – Е

17 Выводы: 1. Энергия электрона в атоме может иметь только дискретные (ступенчатые) значения Е 1 , Е 2 , …, Е i , …, Е n 2. Переходу электрона из одного энергетического состояния в другое соответствует дискретное изменение энергии: n m. E E E n m. E Ef ν nm n mh E E излучение кванта n m. E Ep ν nm n mh E E поглощение кванта

18 Атом вещества анода (антикатода) Энергетическая схема электронных состояний в атомах вещества анода: Энергетическая область возможных состояний электронов

19 – термоэлектрон, разогнанный электрическим полем «Нормальный атом» ν 0 mh E m. E n. E ν n. X mh

203. Спектр поглощения (излучения) атома состоит из отдельных линий, соответствующих частотам (длинам волн) квантов поглощения (излучения) с энергиями, равными разности возможных энергий электрона в данном атоме: ν ( λ )α β γ Идентификация атома Идентификация человека. Гелий АВС

21 Вывод: по спектру излучения (поглощения) можно однозначно идентифицировать атом Закон Мозли для характеристического рентгеновского излучения: 2 ω 2πν σC R Z h R =2, 07 · 10 16 c -1 — постоянная Ридберга σ – постоянная экранирования С – постоянная Z – порядковый номер элемента материала мишени

22 Взаимодействие Х – излучения с веществом 1. Когерентное рассеяние (отражение): Pν νh h Изменение направления распространения 2. Некогерентное рассеяние: Эффект Комптона (частный случай внешнего фотоэффекта) связан с ионизацией 3. Фотоионизация нейтральных молекул h ν П + e своб. → h ν P + e ОТД h ν П + М 0 → М +1 + e —

230 I 0 I Ip x μ 0 x I I e μ μ +μ +μ μ – линейный коэффициент ослабления – массовый коэффициент ослабленияμ μ ρ m 3 3 μ λmk Z Z – порядковый номер элемента

24 Выводы: 1. Х – излучение обладает высокой проникающей способностью. 2. Проникающая способность различна для различных веществ →

26 ИРИ ПРИ (Э) Проекция 1 Проекция 2 РТ: сумма проекций = пространственное представление

27 Радиоактивность Ядро 1 → → ядро 2 + элементарная частица 2 A a Z z. X y Y Z – число протонов А – число нуклонов N = A – Z – число нейтронов q = +1, 6 · 10 -19 Кл m p = 1, 6726 · 10 -27 кг q = 0 Кл m n = 1, 67 50 · 10 -27 кг

28 Естественная и искусственная 4 4 2 2α He 4 4 2 2α A A Z ZX Y α – распад: Протонная радиоактивность 1 1 Hp 1 1 A A Z ZX Y p Спонтанное деление ядер тяжелых элементов 2 2 1 2 2 2 A A A Z Z Z X Y Y Распады

29β – распад: Взаимные превращения в ядре протона и нейтрона 1 1 0 0 1 1 n p e 1 1 0 1 p n e 1 0 1 1 1 0 p e n 0 0 1 1βe – электрон 0 0 1 1 βe – позитрон γ – излучение 0 0 γ γ max 1 2ε νh W W

30 dt. Nd. N t e. NN 0 2 ln 21 T N dtd. N A с распад A с распад Ки. A 10 10700, 31 Закон радиоактивного распада

31 Ионизирующие излучения: Х – излучение; γ – излучение потоки заряженных частиц: α – излучение; β – излучение; n – излучение; р — излучениепотоки квантов:

32 Взаимодействие излучения с веществом = = изменение состояния носителей излучения + + изменение состояния вещества = f (свойства носителей + свойства вещества) Стадии взаимодействия: 1. Физическая 2. Физико-химическая 3. Химическая 4. Биологическая

33 Физическая стадия Носитель изменяет направление распространения и теряет энергию Вещество изменяет энергетическое и электрическое состояние

34 Количественные оценки свойств излучения и вещества при их взаимодействии на первой стадии: 1. Линейная тормозная способность вещества: d. E S dldl. E ; 0 E d. E p S = f (свойства вещества; E ; q )

352. Линейная плотность ионизации: dl i dn S i dl E i = f (свойства вещества; E ; q ) 3. Средний линейный пробег R

36α – излучение Направление движения не меняется 4 2 He

37 i l. R

39β – излучение Направление движения меняется 0 1 e

41γ – излучение 0 0γ 0 I 0 I Ip x μ 0 x I I e μ μ +μ +μ μ – линейный коэффициент ослабления

42 Действие излучения на вещество 1. Поглощенная доза: E D m Дж p = кг. D 1 Гр = 100 рад. Физическое воздействие 2. Мощность поглощенной дозы: E N m t

433. Экспозиционная доза Равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях Кл 1 кг X 4 Кл 1 2, 58 10 кг. X Энергетический эквивалент 1 Рентгена: 4 Дж 1 P 88 10 кг

44 D f X 1 – 4,

454. Эквивалентная доза: H KD [ Н ] = 1 Зв = 100 бэ. РБиологическое воздействие 1 n i i. H K

46 Общие выводы 1. Воздействие ионизирующего излучения на вещество определяется как свойствами излучения, так и свойствами вещества 2. Воздействие складывается из последовательных стадий