Co víme o rentgenovém záření?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

V 19. století se záření pro lidské oko neviditelné, schopné procházet masem a jinými materiály, zdálo jako něco naprosto fantastického. Nyní se rentgenové záření široce používá k vytváření lékařských snímků, provádění radiační terapie, analýze uměleckých děl a řešení problémů s jadernou energií.

Jak bylo objeveno rentgenové záření a jak pomáhá lidem - zjišťujeme spolu s fyzikem Alexandrem Nikolajevičem Dolgovem.

Objev rentgenového záření

Od konce 19. století začala věda hrát zásadně novou roli při utváření obrazu světa. Před stoletím byla činnost vědců amatérského a soukromého charakteru. Na konci 18. století se však věda v důsledku vědeckotechnické revoluce proměnila v systematickou činnost, v níž se díky přispění mnoha odborníků stal možný každý objev.

Začaly vznikat výzkumné ústavy, periodické vědecké časopisy, vznikla konkurence a boj o uznání autorských práv na vědecké úspěchy a technické inovace. Všechny tyto procesy se odehrávaly v Německé říši, kde císař koncem 19. století podporoval vědecké úspěchy, které zvýšily prestiž země na světové scéně.

Jedním z vědců, kteří v tomto období pracovali s nadšením, byl profesor fyziky, rektor univerzity ve Würzburgu Wilhelm Konrad Roentgen. 8. listopadu 1895 zůstal pozdě v laboratoři, jak se často stávalo, a rozhodl se provést experimentální studii elektrického výboje ve skleněných vakuových trubicích. Zatemnil místnost a jednu z trubic zabalil do neprůhledného černého papíru, aby bylo snazší pozorovat optické jevy, které výboj doprovázejí. K mému překvapení

Roentgen viděl fluorescenční pás na blízké obrazovce pokrytý krystaly kyanoplatinitu barya. Je nepravděpodobné, že by si pak vědec dokázal představit, že stojí na pokraji jednoho z nejdůležitějších vědeckých objevů své doby. Příští rok bude o rentgenovém záření napsáno přes tisíc publikací, lékaři vynález okamžitě uvedou do provozu, v budoucnu se díky němu objeví radioaktivita a objeví se nové směry vědy.

Roentgen věnoval několik příštích týdnů zkoumání podstaty nepochopitelné záře a zjistil, že fluorescence se objevila vždy, když do trubice přivedl proud. Zdrojem záření byla trubice, ne nějaká jiná část elektrického obvodu. Protože Roentgen nevěděl, čemu čelí, rozhodl se tento jev označit jako rentgenové paprsky nebo rentgenové paprsky. Dále Roentgen objevil, že toto záření může proniknout téměř všemi předměty do různých hloubek, v závislosti na tloušťce předmětu a hustotě látky.

Ukázalo se tedy, že malý olověný kotouč mezi výbojovou trubicí a obrazovkou nepropouští rentgenové záření a kosti ruky vrhají na obrazovku tmavší stín, obklopený světlejším stínem z měkkých tkání. Brzy vědec zjistil, že rentgenové záření způsobuje nejen záři obrazovky pokryté kyanoplatinitem barnatým, ale také ztmavnutí fotografických desek (po vyvolání) v místech, kde rentgenové paprsky dopadají na fotografickou emulzi.

V průběhu svých experimentů byl Roentgen přesvědčen, že objevil záření neznámé vědě. 28. prosince 1895 informoval o výsledcích výzkumu v článku „O novém typu záření“v časopise Annals of Physics and Chemistry. Zároveň poslal vědcům snímky ruky své manželky Anny Berthy Ludwigové, která se později proslavila.

Díky Roentgenovu starému příteli, rakouskému fyzikovi Franzi Exnerovi, viděli obyvatelé Vídně tyto fotografie jako první 5. ledna 1896 na stránkách deníku Die Presse. Hned druhý den byla informace o otevření předána deníku London Chronicle. Objev Roentgena tak postupně začal vstupovat do každodenního života lidí. Praktické uplatnění se našlo téměř okamžitě: 20. ledna 1896 ošetřili lékaři v New Hampshire muže se zlomenou rukou pomocí nové diagnostické metody – rentgenu.

Včasné použití rentgenového záření

V průběhu několika let se rentgenové snímky začaly aktivně využívat pro přesnější operace. Již 14 dní po jejich otevření pořídil Friedrich Otto Valkhoff první zubní rentgen. A poté spolu s Fritzem Gieselem založili první zubní rentgenovou laboratoř na světě.

V roce 1900, 5 let po jeho objevu, bylo používání rentgenového záření v diagnostice považováno za nedílnou součást lékařské praxe.

Statistiky sestavené nejstarší nemocnicí v Pensylvánii lze považovat za vypovídající o rozšíření technologií založených na rentgenovém záření. Podle ní se v roce 1900 dostalo pomoci rentgenem jen asi 1–2 % pacientů, zatímco v roce 1925 už 25 %.

Rentgenové záření se v té době používalo velmi neobvyklým způsobem. Používaly se například k poskytování služeb odstraňování chloupků. Tato metoda byla dlouhou dobu považována za výhodnější ve srovnání s bolestivějšími - kleštěmi nebo voskem. Kromě toho se rentgenové záření používá v přístrojích pro úpravu obuvi - zkušebních fluoroskopech (pedoskopech). Jednalo se o rentgenky se speciálním zářezem pro chodidla a také okénka, kterými klient i prodejci mohli hodnotit, jak boty sedly.

Časné používání rentgenového zobrazování z moderní bezpečnostní perspektivy vyvolává mnoho otázek. Problém byl v tom, že v době objevu rentgenového záření se o záření a jeho důsledcích nevědělo prakticky nic, proto se průkopníci, kteří nový vynález používali, potýkali s jeho škodlivými účinky na vlastní zkušenosti. Negativní důsledky zvýšené expozice se stal masovým fenoménem na přelomu 19. a 20. století a lidé si postupně začali uvědomovat nebezpečí bezmyšlenkovitého používání rentgenového záření.

Povaha rentgenových paprsků

Rentgenové záření je elektromagnetické záření s energiemi fotonů od ~ 100 eV do 250 keV, které leží na škále elektromagnetických vln mezi ultrafialovým zářením a zářením gama. Je součástí přirozeného záření, ke kterému dochází v radioizotopech při excitaci atomů prvků proudem elektronů, alfa částic nebo gama kvant, při kterých jsou elektrony vymrštěny z elektronových obalů atomu. Rentgenové záření vzniká, když se nabité částice pohybují se zrychlením, zejména při zpomalení elektronů, v elektrickém poli atomů látky.

Rozlišuje se měkké a tvrdé rentgenové záření, jehož podmíněná hranice na stupnici vlnových délek je asi 0,2 nm, což odpovídá energii fotonu asi 6 keV. Rentgenové záření je pro svou krátkou vlnovou délku jak pronikavé, tak ionizující, protože při průchodu látkou interaguje s elektrony, vyráží je z atomů, čímž je rozbíjí na ionty a elektrony a mění strukturu látky na kterou působí.

Rentgenové záření způsobuje, že chemická sloučenina zvaná fluorescence září. Ozáření atomů vzorku vysokoenergetickými fotony způsobí emisi elektronů – ty opustí atom. V jednom nebo více elektronových orbitalech se tvoří "díry" - vakance, díky nimž se atomy dostávají do excitovaného stavu, to znamená, že se stávají nestabilními. O miliontiny sekundy později se atomy vrátí do stabilního stavu, když se volná místa ve vnitřních orbitalech zaplní elektrony z vnějších orbitalů.

Tento přechod je doprovázen emisí energie ve formě sekundárního fotonu, proto vzniká fluorescence.

Rentgenová astronomie

Na Zemi se s rentgenovým zářením setkáváme jen zřídka, ale ve vesmíru se vyskytuje poměrně často. Tam se přirozeně vyskytuje v důsledku činnosti mnoha vesmírných objektů. To umožnilo rentgenovou astronomii. Energie rentgenových fotonů je mnohem vyšší než optická, proto v oblasti rentgenového záření vyzařuje látku zahřátou na extrémně vysoké teploty.

Tyto kosmické zdroje rentgenového záření nejsou pro nás znatelnou součástí přirozeného záření na pozadí, a proto člověka nijak neohrožují. Jedinou výjimkou může být takový zdroj tvrdého elektromagnetického záření, jako je výbuch supernovy, ke kterému došlo dostatečně blízko Sluneční soustavy.

Jak uměle vytvořit rentgenové záření?

Rentgenové přístroje jsou stále široce používány pro nedestruktivní introskopii (rentgenové snímky v medicíně, detekce chyb v technologii). Jejich hlavní součástí je rentgenka, která se skládá z katody a anody. Elektrody elektrody jsou připojeny ke zdroji vysokého napětí, obvykle desítek nebo dokonce stovek tisíc voltů. Při zahřívání katoda emituje elektrony, které jsou urychlovány generovaným elektrickým polem mezi katodou a anodou.

Při kolizi s anodou se elektrony zpomalí a ztratí většinu své energie. V tomto případě se objeví brzdné záření v rozsahu rentgenového záření, ale převážná část energie elektronu se přemění na teplo, takže anoda je ochlazena.

Rentgenka konstantního nebo pulzního působení je stále nejrozšířenějším zdrojem rentgenového záření, ale zdaleka není jediným. K získání pulzů záření o vysoké intenzitě se používají vysokoproudé výboje, při kterých je plazmový kanál protékajícího proudu stlačován vlastním magnetickým polem proudu - tzv. pinching.

Pokud výboj probíhá v prostředí lehkých prvků, např. ve vodíkovém prostředí, pak plní roli účinného urychlovače elektronů elektrickým polem vznikajícím ve výboji samotném. Tento výboj může výrazně převyšovat pole generované externím zdrojem proudu. Tímto způsobem se získávají pulsy tvrdého rentgenového záření s vysokou energií generovaných kvant (stovky kiloelektronvoltů), které mají vysokou pronikavou sílu.

K získání rentgenového záření v širokém spektrálním rozsahu se používají urychlovače elektronů – synchrotrony. V nich vzniká záření uvnitř prstencové vakuové komory, ve které se po kruhové dráze pohybuje úzce nasměrovaný paprsek vysokoenergetických elektronů urychlený téměř na rychlost světla. Letící elektrony při rotaci pod vlivem magnetického pole vysílají paprsky fotonů tečně k oběžné dráze v širokém spektru, jehož maximum spadá do oblasti rentgenového záření.

Jak se detekuje rentgenové záření

K detekci a měření rentgenového záření se dlouhou dobu používala tenká vrstva fosforu nebo fotografická emulze nanesená na povrch skleněné desky nebo průhledného polymerního filmu. První zářil v optické oblasti spektra působením rentgenového záření, přičemž se ve filmu působením chemické reakce měnila optická průhlednost povlaku.

V současnosti se k registraci rentgenového záření nejčastěji používají elektronické detektory - zařízení, která při pohlcení kvanta záření v citlivém objemu detektoru generují elektrický impuls. Liší se principem přeměny energie absorbovaného záření na elektrické signály.

Rentgenové detektory s elektronickou registrací lze rozdělit na ionizační, jejichž působení je založeno na ionizaci látky, a radioluminiscenční včetně scintilace využívající luminiscence látky za působení ionizujícího záření. Ionizační detektory se zase v závislosti na detekčním médiu dělí na plynem plněné a polovodičové.

Hlavními typy plynem plněných detektorů jsou ionizační komory, Geigerovy počítače (Geiger-Mullerovy počítače) a proporcionální čítače plynových výbojů. Kvanta záření vstupující do pracovního prostředí čítače způsobí ionizaci plynu a tok proudu, který je zaznamenáván. V polovodičovém detektoru se působením kvant záření tvoří páry elektron-díra, které zároveň umožňují průchod elektrického proudu tělem detektoru.

Hlavní součástí scintilačních čítačů ve vakuovém zařízení je fotonásobič (PMT), který využívá fotoelektrický jev k přeměně záření na proud nabitých částic a jevu sekundární emise elektronů ke zvýšení proudu generovaných nabitých částic. Fotonásobič má fotokatodu a soustavu sekvenčních urychlovacích elektrod - dynod, na které se při dopadu množí urychlené elektrony.

Sekundární elektronový multiplikátor je otevřené vakuové zařízení (funguje pouze za podmínek vakua), ve kterém je rentgenové záření na vstupu přeměněno na proud primárních elektronů a poté zesíleno sekundární emisí elektronů, které se šíří kanálem multiplikátoru..

Mikrokanálové destičky, což je velké množství samostatných mikroskopických kanálků, které pronikají do detektoru destiček, pracují na stejném principu. Dokážou dodatečně zajistit prostorové rozlišení a vytvoření optického obrazu průřezu toku dopadajícího na detektor rentgenového záření bombardováním vycházejícího elektronového toku poloprůhledného stínítka na něm naneseným fosforem.

Rentgenové záření v medicíně

Schopnost rentgenového záření prosvítat hmotnými předměty nejen dává lidem možnost vytvářet jednoduché rentgenové záření, ale také otevírá možnosti pro pokročilejší diagnostické nástroje. Je například jádrem počítačové tomografie (CT).

Zdroj rentgenového záření a přijímač rotují uvnitř prstence, ve kterém leží pacient. Získaná data o tom, jak tkáně těla pohlcují rentgenové záření, rekonstruuje počítač do 3D obrazu. CT je zvláště důležité pro diagnostiku cévní mozkové příhody, a přestože je méně přesné než zobrazování mozku magnetickou rezonancí, trvá mnohem méně času.

Relativně novým směrem, který se nyní rozvíjí v mikrobiologii a medicíně, je využití měkkého rentgenového záření. Když je živý organismus průsvitný, umožňuje to získat obraz krevních cév, podrobně studovat strukturu měkkých tkání a dokonce provádět mikrobiologické studie na buněčné úrovni.

Rentgenový mikroskop využívající záření ze špetkového výboje v plazmatu těžkých prvků umožňuje vidět takové detaily struktury živé buňky,které nelze vidět elektronovým mikroskopem ani ve speciálně připravené buněčné struktuře.

Jeden z typů radiační terapie používané k léčbě maligních nádorů využívá tvrdé rentgenové záření, které je možné díky jeho ionizujícímu účinku, který ničí tkáň biologického objektu. V tomto případě je jako zdroj záření použit urychlovač elektronů.

Radiografie v technice

Měkké rentgenové záření se využívá ve výzkumu zaměřeném na řešení problému řízené termonukleární fúze. Chcete-li zahájit proces, musíte vytvořit zpětnou rázovou vlnu ozářením malého deuteriového a tritiaového terče měkkými rentgenovými paprsky z elektrického výboje a okamžitým zahřátím pláště tohoto terče do plazmového stavu.

Tato vlna stlačí materiál terče na hustotu tisíckrát vyšší, než je hustota pevné látky, a zahřeje jej na termonukleární teplotu. K uvolnění termojaderné fúzní energie dochází v krátké době, zatímco horké plazma se rozptýlí setrvačností.

Schopnost průsvitu umožňuje radiografii - zobrazovací techniku, která umožňuje zobrazit vnitřní strukturu neprůhledného předmětu vyrobeného například z kovu. Okem nelze určit, zda jsou mostní konstrukce pevně svařeny, zda je šev u plynovodu vzduchotěsný a zda kolejnice k sobě těsně přiléhají.

V průmyslu se proto rentgen používá pro detekci vad - sledování spolehlivosti hlavních pracovních vlastností a parametrů předmětu nebo jeho jednotlivých prvků, což nevyžaduje vyřazení předmětu z provozu nebo jeho demontáž.

Rentgenová fluorescenční spektrometrie je založena na efektu fluorescence - analytické metodě používané ke stanovení koncentrací prvků od berylia po uran v rozmezí od 0,0001 do 100 % v látkách různého původu.

Při ozáření vzorku silným tokem záření z rentgenky se objeví charakteristické fluorescenční záření atomů, které je úměrné jejich koncentraci ve vzorku. V současné době prakticky každý elektronový mikroskop umožňuje bez problémů stanovit podrobné elementární složení studovaných mikroobjektů metodou rentgenové fluorescenční analýzy.

Rentgenové záření v dějinách umění

Schopnost rentgenového záření prosvítat a vytvářet fluorescenční efekt se využívá i ke studiu maleb. To, co se skrývá pod vrchním nátěrem, může hodně napovědět o historii vzniku plátna. Například právě v dovedné práci s několika vrstvami barvy lze shledat obraz jedinečný v umělcově díle. Při výběru nejvhodnějších skladovacích podmínek pro plátno je také důležité vzít v úvahu strukturu vrstev malby.

K tomu všemu je nepostradatelné rentgenové záření, které vám umožní nahlédnout pod horní vrstvy obrazu, aniž by došlo k jeho poškození.

Důležitým vývojem v tomto směru jsou nové metody specializované na práci s uměleckými díly. Makroskopická fluorescence je variantou rentgenové fluorescenční analýzy, která se dobře hodí pro vizualizaci distribuční struktury klíčových prvků, zejména kovů, přítomných v oblastech o velikosti přibližně 0,5-1 metr čtvereční nebo více.

Pro získání zobrazení jednotlivých vrstev obrazu se naopak jeví jako perspektivní rentgenová laminografie, varianta počítačové rentgenové tomografie, která je vhodnější pro studium plochých povrchů. Tyto metody lze také použít ke studiu chemického složení vrstvy barvy. To umožňuje, aby plátno bylo datováno, a to i za účelem identifikace padělku.

Rentgenové záření umožňuje zjistit strukturu látky

Rentgenová krystalografie je vědecký směr spojený s identifikací struktury hmoty na atomové a molekulární úrovni. Charakteristickým rysem krystalických těles je vícenásobné uspořádané opakování v prostorové struktuře stejných prvků (buněk), sestávajících z určitého souboru atomů, molekul nebo iontů.

Hlavní výzkumná metoda spočívá v vystavení krystalického vzorku úzkému svazku rentgenových paprsků pomocí rentgenové kamery. Výsledná fotografie ukazuje obraz difraktovaného rentgenového záření procházejícího krystalem, ze kterého pak vědci mohou vizuálně zobrazit jeho prostorovou strukturu, nazývanou krystalová mřížka. Různé způsoby implementace této metody se nazývají rentgenová strukturální analýza.

Rentgenová strukturní analýza krystalických látek se skládá ze dvou fází:

1. Určení velikosti základní buňky krystalu, počtu částic (atomů, molekul) v základní buňce a symetrie uspořádání částic. Tato data se získají analýzou geometrie umístění difrakčních maxim.
2. Výpočet elektronové hustoty uvnitř základní buňky a určení atomových souřadnic, které jsou ztotožněny s polohou maxim elektronové hustoty. Tato data se získají analýzou intenzity difrakčních maxim.

Někteří molekulární biologové předpovídají, že při zobrazování největších a nejsložitějších molekul může být rentgenová krystalografie nahrazena novou technikou zvanou kryogenní elektronová mikroskopie.

Jedním z nejnovějších nástrojů chemické analýzy byl Hendersonův filmový skener, který používal ve své průkopnické práci v kryogenní elektronové mikroskopii. Tato metoda je však stále poměrně drahá, a proto je nepravděpodobné, že by v blízké budoucnosti zcela nahradila rentgenovou krystalografii.

Relativně novou oblastí výzkumu a technických aplikací spojených s využitím rentgenového záření je rentgenová mikroskopie. Je určen k získání zvětšeného obrazu studovaného objektu v reálném prostoru ve dvou nebo třech rozměrech pomocí zaostřovací optiky.

Difrakční mez prostorového rozlišení v rentgenové mikroskopii vzhledem k malé vlnové délce použitého záření je asi 1000x lepší než odpovídající hodnota pro optický mikroskop. Navíc pronikavost rentgenového záření umožňuje studovat vnitřní strukturu vzorků, které jsou pro viditelné světlo zcela neprůhledné.

A i když má elektronová mikroskopie výhodu mírně vyššího prostorového rozlišení, nejedná se o nedestruktivní metodu zkoumání, protože vyžaduje vakuum a vzorky s kovovým nebo pokoveným povrchem, což je například pro biologické objekty zcela destruktivní.