Рентгенови лъчи в медицината. Рентгеново лъчение. Опасно ли е? Дифракция във физиката

Опасно ли е уж безобидното рентгеново лъчение? Рентгенови лъчи – същност и приложение в медицината и физиката Какво е дифракция? Свойства. Как са открити, какви особености имат. Практики; могат ли да ни навредят, начини да се предпазим

Рентгенови лъчи – за повечето от нас тази „магия“ е свързана с медицината. Рентгенът е база за важен диагностичен метод, който действително се използва във всички дялове на медицината.

Въпросните рентгенови лъче позволяват да се открият патологии на опорно-двигателния апарат, на кости и на меки тъкани. По същество – лъчите са сноп насочени електромагнитни вълни, които възникват при ускорението на заредени частици.

Какво представляват рентгеновите лъчи?

Какво всъщност са въпросните рентгенови лъчи? Простичко казано – те са свръхмощна форма на обикновената светлина. Т.е. това са вълни, които се движат по права линия със скоростта на светлината, но притежават огромна енергия. Тази енергия им позволява да проникват в материи, които са недостъпни за стандартния светлинен лъч.

• Когато проникват в някаква материя, рентгеновите лъчи трябва да си разчистват пътя сред стълпотворение от атоми – за да излязат от другата страна. Основната пречка пред рентгеновия лъч са електроните. Колкото повече електрони съдържат атомите на облъчвания материал, толкова по-трудно е проникването и толкова повече енергия се изразходва.
• Човешката кожа например е лесно проходима заради високото съдържание на въглеродни атоми с ниска численост на електроните. Обратна е ситуацията при материали, чиито съставни компоненти са атоми с много електрони. Това обяснява защо и как рентгеновите лъчи могат да бъдат блокирани от оловото.

Определение

Да обобщим: коментираните рентгенови лъчи са насочени електромагнитни вълни, възникващи във вакуумна тръба. Възникването им е резултат от прилагането на високо напрежение – няколко хиляди волта. При това се стартира движение на заредени частици от анода към катода във верига, разположена в тръбата.

Рентгеновите лъчи се класират в електромагнитния спектър между гама-лъчите и ултравиолетовите. Това е вид йонизиращо лъчение, опасно за живите организми.

Приложение

Рентгенът намира приложението си в медицината за първи път преди сто години. В днешно време диагностичните методи са много и различни, но в цял свят рентгеновите снимки продължават да се правят с милиони. Защо? Защото са сред най-полезните средства за диагностика и лечение.

• Костите и зъбите, изградени основно от калций, възпират проникването на рентгеновите лъчи през тях. Кожата и меките тъкани пък са органични материали, съдържащи въглерод, водород, кислород и т.н. Всеки от тези елементи е с ниско атомно число, т.е. атомите му съдържат малък брой електрони – ето защо на рентгеновите лъчи им е лесно да проникват през кожата и меките тъкани.
• На рентгеновата снимка те са само сенки във вътрешността на човешкото тяло – през тях лесно могат да се разпознаят счупвания на кости, но също тумори и някои заболявания на белите дробове като туберкулоза и емфизем.

По повод сенките: друг вариант за приложение на рентгеновите лъчи има във флуорографията. Този метод е свързан с фотофиксация на сенчестите изображения. Пациентът застава между източника на излъчване и специален екран, чиято повърхност е изработена от цезиев йодид. Под въздействието на лъчите наблюдаваният елемент започва да свети. Вътрешните органи реагират с различна плътност на сенките; фиксирани на такава снимка, те могат да покажат участъците с патологични промени на сърцето и белия дроб.

Някои органи в човешкото тяло нямат плътна структура и под въздействието на рентгеновите лъчи стават прозрачни. Те не се виждат на рентгеновата снимка като сенки, ако не са изпълнени с контрастно вещество – такива са червата, пикочният мехур, бъбреците. В такива случаи пациентът приема перорално бариеви соли или му инжектират йодосъдържащ разтвор: това позволява да се направи рентгенологична фиксация и да се установи патологично състояние.

Разновидност на рентгеновата диагностика е компютърната томография. Тя е разработена през 1970 година и представлява полагане на пациента в специален бокс, където се снима цялото тяло. Методът диагностицира злокачествени процеси във вътрешните органи и костите, остри и хронични възпаления, вътрешни кръвоизливи. По този начин пациентът се изследва и диагностицира без въвеждането на контрастни вещества.

Медицината не е единственото поле, на което имат приложение рентгеновите лъчи. Така както рентгенът може да сканира тялото ни, така той е в състояние да сканира и да покаже какво носим в куфарите и чантите си. Това е важно при контрола на летища и граници; чрез лъченията се разпознават забранени за пренасяне предмети като огнестрелно и хладно оръжие. Те се изработват от материали, които спират лъчението и на екрана се показват изображения им.

Едно от най-старите приложения на рентгеновите лъчи е свързано с изучаването на вътрешната структура на материалите. Когато лъчите били насочвани към кристали, атомите им ги разсейвали и създавали виртуална сянка на вътрешната структура. Това позволявало на учените да измерят разстоянието между атомите. Този научен метод е познат като рентгенова кристалография или рентгенова дифракция. Тази технология има решаваща роля в откриването на структурата на ДНК през 1950 година.

Откриване

През 1895 година немският физик Вилхелм Рентген работел върху експеримент с катодна тръба – стъклен контейнер, в който сноп електрони осветяват флуоресцентна повърхност. Ученият обвил тръбата с картон, за да предотврати „теч“ на флуоресцентната светлина. След известно време обаче той забелязал, че друг екран, разположен вън от тръбата, започва да свети. С две думи – някакви невидими лъчи били преминали през стъклото и картона и се появили върху външния екран.

Рентген нямал обяснение що за светлинни лъчи са това; тъй като не му била позната природата им, решил да ги нарече „рентгенови“. Всъщност именно заради това си откритие той получил първата в историята Нобелова награда през 1901 година.

Свойства на рентгеновите лъчи

Рентгеновото лъчение по същество е невидимо. Но тъкмо тези невидими лъчи имат изключително активно приложение в медицината, научните изследвания, в практиката – особено в машиностроенето. За да се прилагат обаче е било необходимо да се изследват техните свойства. Ето до какво познание е достигнало човечеството в тази посока след дълги проучвания:

Видове рентгенови лъчения

И така: рентгенови лъчи – това са електромагнитни вълни и заредени частици, които могат да се класифицират според природата на произхода, предназначението, конструкцията, типа анод. Вижте как могат да бъдат класифицирани видовете лъчения:

Вид рентгеново лъчение	Характеристика
Диагностично	Използва се в медицината за откриване на заболявания по кости и вътрешни органи. Електромагнитните вълни се продуцират от рентгенологични апарати. В лабораторни условия лъчението се прилага за създаване на флуоресцентен ефект
Терапевтично	Рентгеновите лъчи се използват широко при комплексното лечение на злокачествени тумори. Електромагнитната терапия на ракови новообразувания е целесъобразна в случаите, когато злокачествените клетки показват положителна динамика към въздействието на йонизацията.
Структурно-аналитично	Прилага се в машиностроенето и при изучаването на структурата на различни обекти. Например структурният анализ с помощта на рентгенови лъчи е търсен за проверка на качеството и целостта на обемни детайли, произведени чрез леене.
Еднофокусно	Получава се тогава, когато на катода е позиционирана само една спирала, а на анода има не повече от едно фокусно петно.
Двуфокусно	При този вариант върху катода се намират едновременно две спирали с различен размер, а на повърхността на анода има две фокусни петна
Стационарно	Анодът на вакуумната тръба е неподвижен, потокът положително заредени частици се движи само в едно и също направление.
Ротационно	Работи се с подвижен анод, при което спектърът на електромагнитните вълни се разсейва.
Синхротронно	Този вид рентгеново лъчение се получава по изкуствен път – в специални апарати, които ускоряват движението на електроните. Дължината на синхротронните електромагнитни вълни е по-голяма от онези, които могат да се получат във вакуумна тръба с помощта на анод и катод.

Източници на рентгенови лъчи

Основен източник на рентгеновото лъчение е вакуумната тръба, в която са позиционирани анод и катод. При нагряването на катода се образува електронен поток, който се ускорява за сметка на образуваното електромагнитно поле. Той се насочва и удря о повърхността на анода.

С подобни устройства са оборудвани рентгеновите апарати, чието функционално предназначение е изследването на меките тъкани и на елементите на опорно-двигателния апарат на човека. В лабораторни условия източник на рентгеновото лъчение могат да са специални лампи, които се използват за провеждането на биохимически реакции чрез флуоресценция.

Освен устройствата, създадени от човека за получаване на рентгеново лъчение с медицинско предназначение, съществуват и естествени източници  на рентгеновите лъчи. Това може да са:

• Радиоактивни метали в период на разпад;
• Космически обекти, които са преминали през плътните слоеве на атмосферата и са попаднали върху земната повърхност;
• Минерали и полезни изкопаеми, които съдържат примеси от радиоактивни метали.

Природни източници на електромагнитни вълни от рентгенов тип се срещат в околната среда изключително рядко; честотата на техните лъчения е значително по-ниска, отколкото в изкуствено създадената от вакуумната тръба с нейните аноди и катоди.

Характеристики

Рентгеновото лъчение е физическо явление; то се характеризира с движението на сноп лъчи, излизащи от вакуумна тръба за определено време. Във връзка с това електромагнитните вълни могат да имат специфични физически характеристики. Ето ги:

Интензивност

Тази характеристика на лъчението се измерва в милиампери. Всъщност интензивността на рентгеновото лъчение – това е количеството лъчи, които се образуват при взаимодействието на катода и анода във вакуумната тръба. Всеки електрон, попадайки върху анода, възпроизвежда една или няколко частици светлина – кванти. Във връзка с това интензивността на лъчението се регулира чрез контрол върху количеството електрони, насочени към катода.

Сила

Това е качествена характеристика на рентгеновото лъчение. Измерва се в киловолти и зависи от стойностите на електростатичното напрежение във вакуумната тръба. Силата определя степента на лъчевото проникване в структурата на тъкани или плътни обекти. Може да се регулира чрез трансформатор, който повишава или понижава напрежението в тръбата.

Рентгенови лъчи във физиката

Рентгеновите лъчи, както вече споменахме, са вид електромагнитни колебания. Образуват се в рентгенова тръба при рязко стопиране на ускорени електрони; това се случва при сблъсъка им с атомите от веществото на анода. Приема се, че рентгеновите лъчи са един от видовете лъчисти енергии, чийто спектър включва също радиовълните, инфрачервените и ултравиолетовите лъчи, видимата светлина и гама-лъчите на радиоактивните елементи.

Рентгеновото лъчение може да се характеризира още и като съвкупност от най-малките му частици, кванти или фотони.

Как се получават?

Да обобщим: рентгеновите лъчи се образуват при сблъсъка на потока от ускорени електрони с веществото на анода. При взаимодействието на електроните с мишената 99% от кинетичната им енергия се превръща в топлинна и само един процент – в рентгеново лъчение.

Рентгеновата тръба се състои от стъклен балон, в който са позиционирани два електрода – анод и катод. От балона е изтеглен въздухът; движението на електроните от катода към анода е възможно единствено в условията на относителен вакуум.

Върху катода се намира волфрамова спирала; при подаването на електрически ток от нея се отделят електрони, които образуват около катода нещо като облаче.

Анодът от своя страна е оборудван с волфрамова пластинка, върху която трябва да се фокусират ускорените електрони. Това е и механизмът на образуване на рентгеновите лъчи. Трябва да споменем и това, че към тръбата са свързани два трансформатора: понижаващ и повишаващ. Понижаващият нагрява волфрамовата спирала и създава електронната емисия. Повишаващият задвижва ускорено електронното облаче, чиито частици бомбардират анода и създават рентгеново лъчение и топлинна енергия.

Класификация на рентгеновите тръби

Според предназначението:

• Диагностични;
• Терапевтични;
• За структурен анализ;
• За осветление.

Според конструкцията:

• В зависимост от броя фокуси – еднофокусни, т.е. с една волфрамова спирала на катода и едно фокусно петно на анода; двуфокусни, т.е. с две спирали към две фокусни петна;
• В зависимост от вида на анода – стационарен/неподвижен, или роторен/въртящ се.

Дължина на вълната

Рентгеновото лъчение се отличава от другите видове електромагнитни колебания по дължината на вълната и квантовата енергия. Колкото по-малка е дължината, толкова по-висока е честотата й, енергията и проникващата способност.

• Дължината на вълната при рентгеновото лъчение е в интервала 1,5–3×10 на минус трета степен нанометра. Като променяме дължината на вълните на рентгеновото лъчение, можем да регулираме проникващата им способност.
• Рентгеновите лъчи са с изключително малка дължина на вълната, но с огромна честота на колебанията; това ги прави невидими за човешките очи. Благодарение именно на голямата си проникваща способност те имат приложението в медицината и други области на науката.

Дифракция на рентгенови лъчи

Дифракция или разсейване на рентгеновите лъчи може да се наблюдава, ако са насочени например към кристал. Когато премине през кристала, потокът лъчи се разделя на по-малки снопове. Попадайки върху фотофилм, те създават образ, виртуална сянка от вътрешната структура на кристала. Така строежът на изучавания обект става видим и позволява да бъде изследван. Методът е известен като рентгенова дифракция.

В медицината

Първите рентгенови апарати дават възможност да се изучава преди всичко структурата на костната тъкан, да се установяват патологии и увреждания. Усъвършенстването на технологиите скъсява времето за облъчване, дава възможност за качествени фотофиксации или рентгенови снимки.

Рентгенови изследвания

Рентгенографията и флуорографията са основните изследвания, при които се използва въздействието на лъчението върху зони от човешкото тяло. С развитието на науката става възможно да се изследват не само кости, но и меки тъкани; в някои случаи – с помощта на контрастни вещества. Съвременен метод на изследване е компютърната томография (подробно за рентгеновите изследвания вижте по-горе, в „Приложение на рентгенови лъчи“).

Опасни ли са?

Рентгеновите лъчи са безопасни за човешкия организъм, ако източникът на лъчение се намира на фокусно разстояние 30-150 см от кожата и при условие, че напрежението във вакуумната тръба е в пределите 180-400 KW.

Тези показатели са характерни за рентгеновите и за флуорографските апарати в момента на работа и фотофиксация на телесни зони. При лъчевата терапия се използват електромагнитни вълни, които се продуцират при напрежение 20-6- KW и фокусно разстояние от повърхността на кожата 3-7 см. Ако обаче някои от условията се нарушат, рентгеновите лъчи стават опасни като всички други лъчения, съпътстващи взривяването на малка атомна бомба. Те могат да причинят окапване на косата и други ефекти, познати ни от филмите за войната.

Защита от рентгеново лъчение

Тъй като превишените дози на рентгеново излъчване нарушават функциите на епителните клетки  и вредят на тъканите на вътрешните органи, трябва да се спазват специални правила и мерки на защита от йонизиращото лъчение. Ето какви са те:

• Филтър-пластина: поставя се на изхода на вакуумната тръба, за да погълне т.н. меки лъчи, които са вредни за кожата;
• Предпазна манта, изработена от гума и оловни пластинки – те не пропускат йонизиращото лъчение. Защитното облекло е предназначено за оператора на апарата, лекар или лаборант. С подобно покривало може да се покрият частите от тялото на пациента, които не са обект на изследване или лечение;
• Метален тубус – фиксира се за вакуумната тръба, за да има контрол върху сноповете рентгенови лъчи и за да се предотврати хаотична йонизация;
• Оловно стъкло – разполага се на предната повърхност на екрана, за да предпази тялото от наднормено количество на йонизиращото лечение;
• Подвижен параван с вградени оловни пластини, който се използва като мобилна бариера срещу излишните лъчения; размерите му по стандарт са метър и половина височина и метър – ширина.

Използването на изброените средства е предназначено за защита от рентгеновото лъчение и е задължително условие за съхранение здравето на лекаря рентгенолог. Допустимата норма на облъчване, която не е опасна за здравето и няма негативни последици, е 0.03 рентгена дневно.

Биологично действие

Рентгеновото лъчение е с изразено биологическо въздействие върху облъчваните тъкани и органи: в малки дози стимулира обмяната на вещества, а в големи може да провокира тъканни поражения или лъчева болест. Свойствата на рентгеновите лъчи ги правят ефективно средство за лечение на тумори и на някои други патологии.

Още информация за рентгеновото лъчение и източници на английски език: Приложение на рентгеновите лъчи в медицината, физиката и техниката; * Свойства на рентгеновото лъчение. Ползи и вреди, дифракция и другите; * Опасно ли е едно изследване с рентгенови лъчи? Как се осъществява процедурата.

В археологията

Високата проникваща способност на рентгеновите лъчи дава възможност за неинвазивен контрол и изследване на различни археологически находки. По-голямата част от тях са уникални; единствен начин да бъдат изследвани, без да се повредят, е рентгеновото изследване. Прилагат се различни методики като дифракционни измервания, рентгенофлуоресцентен анализ, изследване чрез синхротронно лъчение. Така могат да се установят подробности за създаването на определени артефакти, да се датират, да се установят връзки и пр.