Рентгеновское излучение: история открытия, физика и медицина

История открытия рентгеновского излучения и его внедрение в медицинскую практику. На протяжении тысячелетий установление диагноза и назначение лечения основывались исключительно на жалобах больного, данных внешнего осмотра и физикального наблюдения. Значительно позже появились такие относительно объективные методы физикального исследования, как перкуссия (выстукивание) и аускультация (выслушивание), создающие базовое представление о функциях внутренних органов, в первую очередь сердца и легких. Однако потребность увидеть внутреннюю структуру и приизжизненную анатомию живого человека оставалась насущной.

Исторический перелом произошел в пятницу вечером 8 ноября 1895 года в городе Вюрцбурге, когда немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, исследуя электрические разряды в вакуумных трубках, обнаружил неизвестное ранее явление. При подаче высокого напряжения на вакуумную трубку, обернутую плотной черной бумагой, на расположенном рядом столе возникло свечение картона, покрытого слоем платиново-ционистого бария. Проведя серию экспериментов, исследователь установил факт возникновения ранее неизвестных лучей с высокой проникающей способностью и назвал их X-лучами. В течение семи недель непрерывной работы Рентген подготовил и опубликовал сообщение «О новом виде лучей». Академик А. Ф. Иоффе, проработавший с ученым свыше 20 лет, отмечал исчерпывающую точность описания свойств лучей, сделанного на элементарном оборудовании. В 1901 году Вильгельм Конрад Рентген за это открытие был удостоен первой в истории Нобелевской премии по физике.

Первоначальные сообщения в прессе о «всепроникающих лучах» вызвали волну обывательских слухов и недостоверных публикаций. Однако сенсационный шум быстро сменился глубокими научными исследованиями, ориентированными на практическую медицину. Уже через несколько дней после публикации тезисов Рентгена в физической лаборатории Петербургского университета был получен снимкок кисти руки. В январе 1896 года А. С. Попов изготовил первую отечественную рентгеновскую трубку и сконструировал диагностический аппарат. В ходе Цусимского сражения старший врач крейсера «Аврора» В. С. Кравченко успешно применил рентгеновское излучение для диагностики 40 из 83 раненых, заменив травматичное зондирование локализацией осколков по снимкам.

Физические механизмы возбуждения рентгеновского излучения. Для генерации X-лучей применяется специализированный электровакуумный прибор — рентгеновская трубка (схема устройства и ее включения приведена на рис. 103). Она представляет собой откачанный стеклянный баллон с двумя электродами: катодом (нитью накала) и анодом (массивным электродом с мишенью из тугоплавкого металла, обычно вольфрама). На катод подается напряжение накала 8–12 В для термоэлектронной эмиссии, а между анодом и катодом создается высокое ускоряющее напряжение 50–200 кВ. Электроны ускоряются электрическим полем и с высокой кинетической энергией ударяются о вольфрамовую пластину анода.

Рис. 103. Схема устройства рентгеновской трубки и ее включения.

При попадании ускоренного электрона в область анода происходят два физических процесса, приводящих к возникновению двух видов излучения:

• Тормозное рентгеновское излучение — возникает при резком торможении электрона электрическим полем атомных ядер и внутренних электронов вольфрама. Изменение напряженности поля приводит к изменению напряженности электрического (E) и магнитного (H) векторов электромагнитной волны. Чем сильнее торможение, тем короче длина испускаемой волны. Поскольку условия торможения электронов непрерывно варьируются, генерируется излучение со сплошным спектром («белое» рентгеновское излучение).
• Характеристическое рентгеновское излучение — возникает, когда высокоэнергетичный налетающий электрон выбивает электрон с одной из внутренних электронных оболочек атома анода. Образовавшаяся вакансия заполняется электроном с более высокого энергетического уровня. Переход сопровождается излучением кванта энергии определенной частоты.

Квантовая природа и спектральный состав рентгеновских лучей. Переходы электронов между внешними оболочками дают кванты видимого света, тогда как переходы на глубокие внутренние оболочки тяжелых элементов генерируют рентгеновские кванты высокой энергии. На рис. 104 представлена схема возможных электронных переходов в атоме.

Рис. 104. Схема возможных переходов электронов в атоме.

Так как число возможных дискретных переходов ограничено, каждый переход формирует излучение строго определенной длины волны. Из-за этого характеристическое рентгеновское излучение обладает линейчатым спектром, отражающим атомную структуру материала анода. Спектр элемента уникален: например, электронные переходы на уровень n = 1 в атоме водорода (как показано на рис. 98) дают ультрафиолетовое излучение, тогда как аналогичные переходы в атоме вольфрама (рис. 104) генерируют жесткое характеристическое рентгеновское излучение.

Таким образом, при взаимодействии быстрых электронов с веществом анода возбуждаются коротковолновые электромагнитные волны двух типов — тормозное и характеристическое рентгеновские излучения.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. А. Безденежных, И. С. Брикман

Источник: Физика в живой природе и медицине

Данные публикации будут полезны учащимся старших классов общеобразовательных школ, учителям физики и биологии, учащимся и преподавателям средних медицинских учебных заведений, а также студентам первых курсов медицинских институтов, биологических факультетов университетов и педагогических институтов.