Рентгеновское излучение кем и когда открыто. История открытия рентгеновского излучения

Испускаются при участии электронов, в отличие от гамма-излучения, которое является ядерным. Искусственно рентгеновское излучение создается путем сильного ускорения заряженных частиц и путем перехода электронов с одного энергетического уровня на другой с высвобождением большого количества энергии. Устройства, на которых можно получить - это рентгеновские трубки и ускорители заряженных частиц. Естественными источниками его являются радиоактивно нестабильные атомы и космические объекты.

История открытия

Оно было сделано в ноябре 1895 года Рентгеном — немецким ученым, который обнаружил эффект флуоресценции платино-цианистого бария во время работы катодолучевой трубки. Он описал характеристики этих лучей довольно подробно, включая способность проникать сквозь живые ткани. Они были названы ученым икс-лучами (X-rays), название "рентгеновские" прижилось в России позднее.

Чем характеризуется этот вид излучения

Логично, что особенности данного излучения обусловлены его природой. Электромагнитная волна — вот что такое рентгеновское излучение. Свойства его следующие:

Рентгеновское излучение - вред

Разумеется, в момент открытия и долгие годы после того никто не представлял себе, насколько оно опасно.

Где применяются икс-лучи

1. Медицина. Рентгенодиагностика — “просвечивание” живых организмов. Рентгенотерапия — воздействие на опухолевые клетки.
2. Наука. Кристаллография, химия и биохимия используют их для выявления строения вещества.
3. Промышленность. Выявление дефектов металлических деталей.
4. Безопасность. Рентгеновское оборудование применяют для обнаружения опасных предметов в багаже в аэропортах и других местах.

Несмотря на то, что с момента открытия рентгеновских лучей прошло уже больше сотни лет, этот научный прорыв до сих пор считается одним из самых серьезных событий в области медицины, позволивший перевести процесс диагностики множества разнообразных заболеваний на принципиально новый уровень. Сложно себе представить, но до 1895 года у врачей не было никакой другой возможности заглянуть внутрь живого человеческого тела безоперационным путем.

Разумеется, это серьезно осложняло процесс лечения, да и определить наличие многих заболеваний было практически невозможно. Именно по этой причине медицина того времени достаточно ненадежна, а врачи очень часто не могли дать никаких гарантий своим пациентам. Но все это изменилось 8 ноября 1895 года благодаря работе одного из самых трудолюбивых и талантливых физиков 19 века - Вильгельма Конрада Рентгена. Но обо всем по порядку, ведь сама личность ученого заслуживает не меньше внимания, чем его главное открытие.

Долгий путь Вильгельма Конрада Рентгена

Стоит отметить, что это помогло ему получить в свое распоряжение самое современное оборудование для исследований, а также достаточно времени для работы, которое он не стал тратить впустую.

Уникальное открытие, которое перевернуло мир

Ученый продолжал эксперименты в течение нескольких часов, и в процессе его рука также попала в зону действия луча. То, что увидел ученый, шокировало его - он видел свою руку насквозь, а непрозрачными остались только кости.

Спустя несколько дней напряженных исследований он сделал первый в мире рентгеновский снимок, сфотографировав X-лучами руку своей жены Берты. За этим последовало еще множество разнообразных экспериментов, суть которых он раскрыл в своей научной работе, получившей большую популярность в физико-медицинском научном сообществе.

Это открытие произвело настоящий фурор, и новые лучи назвали рентгеновскими в честь их первооткрывателя. Сама ученый отнесся к своему открытию достаточно спокойно, и будучи человеком обстоятельным и последовательным, начал активно исследовать особенности и потенциальные сферы применения своего открытия. Уже через год он узнал о большинстве особенностей данных лучей. За свою работу в 1901 году Рентген получил Нобелевскую премию в области физики.

Значение открытия рентгеновских лучей

Стоит также отметить, что открытие Рентгена оказалось настолько значимым и важным, что и по сей день, данные лучи используют во многих сферах жизни. Их активно применяют в ювелирном деле для определения подлинности драгоценных камней, в искусстве с их помощью можно быстро отличить подлинник от подделки. Важнейшую роль рентгеновские лучи играют в вопросах безопасности, ведь с их помощью на таможенных зонах и в аэропортах стало намного проще анализировать содержимое большого количества багажа на предмет оружия или взрывчатки. Также эти лучи применяются во многих сферах промышленности и науки, благодаря чему открытие Вильгельма Рентгена заслуженно можно считать одним из самых значимых достижений всех времен в области физики.

Сегодня мы продолжаем наш рассказ о нобелевских лауреатах. Второй выпуск нашей рубрики «Как получить Нобелевку» посвящен первому в истории лауреату в области физики, человеку, давшему свое имя не только единице дозы облучения, но и целому диапазону электромагнитного излучения. Итак, встречайте - настоящий Х-man, Вильгельм Конрад Рентген.

Родился 27 марта 1845 года в Леннепе, Королевство Пруссия, умер 10 февраля 1923 года в Мюнхене.

Лауреат Нобелевской премии по физике 1901 года. Формулировка Нобелевского комитета: «В знак признания исключительных услуг, которые он оказал науке открытием замечательных лучей, названных впоследствии в его честь» (In recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him) .

Учителем Рентгена можно назвать блестящего экспериментатора Августа Кундта, который работал профессором физики в знаменитой ETH Zurich (Швейцарская высшая техническая школа Цюриха). Именно туда Вильгельм поступил в 1865 году, поскольку хотел стать инженером-механиком. Однако Кундт (кстати, бывший учителем и открывшего давление света Петра Лебедева), увидев незаурядные способности 20-летнего юноши, настоятельно советовал ему заняться физикой, и в 1869 году Рентген стал ассистентом Кундта. Затем вместе с учителем он переехал в Вюрцбург, потом в Страсбург. Постепенно сам Рентген уже обретал славу тончайшего экспериментатора. С 1874 года (Рентгену - 29) он сам стал преподавателем Страсбургского университета. Затем следует Гиссен и снова Вюрцбург, где в 1894 году он становится ректором университета. Казалось бы, 49 лет, важная, почетная и денежная должность, чего еще надо? Но Рентген взялся за исследования в области, в которой, казалось, все уже сделано: электрический разряд в вакуумной трубке. Например, в трубке Крукса.

Уильям Крукс с лучевой трубкой

Wikimedia Commons

Это стеклянный сосуд с двумя электродами в противоположных концах, из которого выкачан почти весь воздух. Уильям Крукс, создатель этого прибора, обнаружил, что при достаточном разрежении воздуха стекло на противоположном катоду конце трубки начинает флуоресцировать желто-зеленым светом, видимо, под действием некоего излучения, которое было названо катодными лучами.

Несколько слов нужно, конечно, сказать о самом Уильяме Круксе. Известнейший ученый, открывший таллий и получивший в лабораторных условиях гелий, был заядлым спиритистом. В 1874 году он, будучи 42 лет от роду, в самом расцвете научных сил, опубликовал статью, в которой заявлял, что спиритизм - это научно, и явления духов происходят на самом деле. Скандал был такой, что Круксу пришлось на много лет «залечь на дно» - дождаться того, что его научный авторитет станет незыблем, как и позиции в Королевском научном обществе, дождаться рыцарского титула (1897) и в 1898 году совершить каминг-аут в духе тех лет, заявив, что он убежденный спиритуалист. Им Крукс и оставался до самой смерти в 1919 году. Так что с 1913 по 1915 год Лондонское королевское общество возглавлял, по-нашему, лжеученый (но только в этом).

Но вернемся к Рентгену и катодным трубкам. К 1895 году казалось, что все в этих трубках уже известно. И мало кто мог догадаться, что пройдет всего два года, и при помощи трубки Крукса будет совершено два важнейших открытия, принесших две Нобелевских премии по физике. О втором мы еще поговорим, когда начнем разговор о лауреате 1906 года, первооткрывателе электрона, «Джей-Джей» Томсоне.

А мы продолжим рассказ о Рентгене. 8 ноября, пятничным вечером, Рентген по традиции остался допоздна в лаборатории. Ассистенты ушли домой, было сравнительно темно. В лаборатории стояла катодная трубка, закрытая черным картоном. Он включил ток в ней и увидел, что лежавшая рядом бумага, покрытая кристаллом комплексного соединения бария и платины, засветилась зеленым светом. Так ученый, которому уже пошел шестой десяток, сделал одно из самых великих открытий в истории физики - рентгеновское излучение или Х-лучи. На тщательную проверку всего (он был очень скрупулезен) Рентген потратил две недели.

28 декабря 1895 года в Annalen der Physik вышла первая статья Рентгена «О новом виде лучей». Вся суть была уже в первом абзаце: «Если пропускать разряд большой катушки Румкорфа через трубку Гитторфа, Крукса, Ленарда или любой другой прибор, то наблюдается следующее явление. Кусок бумаги, покрытой платиносинеродистым барием (Ba∙4H 2 O ), при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона, при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флуоресцировать. Флуоресценция видна при достаточном затемнении и не зависит от того, подносить ли бумагу стороной покрытой или не покрытой платиносинеродистым барием. Флуоресценция заметна еще на расстоянии двух метров от трубки. Легко убедиться, что причины флуоресценции исходят именно от разрядной трубки, а не от какого-нибудь места в проводке».

Очень заметна тщательность Рентгена в экспериментах. На первых страницах той же статьи перечислены предметы и вещества, которые Рентген испытал на проницаемость: бумага, книга в 1000 страниц, двойная колода карт, лист станиоля, еловые доски разной толщины, алюминиевая пластинка, диски из эбонита, стекло со свинцом и стекло без свинца, вода, сероуглерод и другие жидкости в слюдяных сосудах, собственная рука... «Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях самой руки». Очень скоро был сделан и знаменитый снимок руки в рентгеновских лучах.

Слева рука жены Рентгена, справа - Келликера

Wikimedia Commons

На этой фотографии левой руки хорошо видно обручальное кольцо - это снимок руки жены Рентгена, Анны Берты Людвиг Рентген. Но очень часто публикуют другой снимок, под этим же названием, и тоже с кольцом на пальце. Но этот снимок - портрет кисти (простите за каламбур) немецкого анатома и гистолога Альберта фон Келликера, друга Рентгена. Этот снимок был сделан 23 января 1896 года.

Так было найдено первое медицинское применение новому открытию. Уже в 1896 году Джон Фрэнсис Холл-Эдвардс из Бирмингенма применил Х-лучи в медицине: сначала, 11 января, он сделал рентгеновский снимок кисти руки с введенной в нее стерильной иглой. А уже 14 февраля того же года им была выполнена первая операция, во время которой он, как хирург, руководствовался рентгеновским снимком. Чуть позже (1899) он стал первым официальным радиологом в мировой медицине. Ему же принадлежит честь использования рентгеновских лучей в военной медицине: в 1900 году в Южной Африке подразделение Холла-Эдвардса применяло рентген в военно-полевом госпитале во время англо-бурской войны. О количестве раненых, спасенных благодаря рентгеновским аппаратам в Первую мировую, можно не говорить, ведь оно исчисляется сотнями тысяч. Очень важно: Рентген отказался от патента на сами лучи и на способ получения рентгеновского изображения, считая, что это должно принадлежать человечеству.

Естественно, что слава, свалившаяся на Рентгена, оказалась оглушительной (он ненавидел свою известность). И естественно, что первый «Нобель» по физике достался именно ему.

Номинаций на самую первую Нобелевскую премию оказалось не очень много: 11 человек были номинированы 29 раз. И абсолютное большинство было за Рентгеном - 16 номинаций! Чуть ли не единственный случай такого превосходства. Среди прочих кандидатов можно отметить получивших «Нобеля» по физике Йоханнеса Ван-дер-Ваальса, Питера Зеемана, Гульермо Маркони, Филиппа фон Ленарда и Анри Беккереля, будущего нобелиата по химии Сванте Аррениуса (этот уникальный человек был номинирован и по химии, и по физике, и по медицине), а также не получившего премию Уильяма Томсона, более известного нам как лорд Кельвин.

Интересно другое: как и Аррениус, Рентген уже в 1906 году мог стать первым в истории дважды нобелевским лауреатом: начиная с 1906 года его абсолютно заслуженно пять раз номинировали на Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Еще один интересный факт из «нобелевской» истории Рентгена: сам он шесть раз номинировал коллег на премию. В 1901 и 1903 году - уже упомянутого Уильяма Томсона, в 1905 - другого Томсона, «Джей-Джей» (говорят, только после того, как самолично удостоверился в существовании электрона, до тех пор он запрещал произносить это слово в лаборатории). И, удивительное дело, несмотря на то, что сам Рентген держался подальше от «новой физики», тем не менее в 1917 году он номинировал на «Нобеля» Макса Планка, а в 1922 году - Нильса Бора. На получение премии Рентген не поехал.

Сам первооткрыватель же продолжил свои штудии. Как писал работавший с ним Абрам Иоффе, в первый год после открытия Рентгена об Х-лучах вышло более 1000 статей и более сотни научных работ. «Но в течение 12 лет ни одна работа не добавила ничего существенного к тому, что сумел сделать Рентген».

А уж о тех возможностях, которые открыли рентгеновские лучи науке, можно не говорить. Вот только несколько примеров.

Менее чем через 20 лет после открытия лучей отец и сын, Уильям Генри и Уильям Лоуренс Брэгги, поняли, что, используя рентгеновское излучение, а точнее, дифракцию рентгеновских лучей на кристалле вещества, можно узнать структуру кристаллической решетки. Так появился рентгеноструктурный анализ, а «семейный подряд» получил Нобелевскую премию по физике 1915 года (Брэгг-младший так и вовсе стал самым молодым естественнонаучным лауреатом премии за все времена: награда досталась ему в 25 лет!). Но мало кто знает, что попытку установить строение кристаллов при помощи Х-лучей предпринял сам Рентген.

Позже оказалось, что таким образом можно определять и структуру белков, главное - вырастить из них кристаллы. Этот процесс - настоящее искусство, и впервые его удалось осуществить британскому химику Дороти Кроуфут-Ходжкин, которая в 1964 году удостоилась за свои работы Нобелевской премии по химии (всего женщины получали высшую научную награду в этой категории четыре раза). Кстати, четвертая женщина, Ада Йонат, получившая премию в 2009 году за изучение строения рибосомы, пользовалась тем же рентгеноструктурным анализом.

Вильгельм Конрад Рентген относился к ученым «старой школы», где незаурядные успехи в науке очень часто сочетались с личной скромностью и незаурядными личностными качествами. В 1917 году Германия уже проигрывала войну. Продукты распределялись по продовольственным карточкам. Многие друзья и ученые присылали Рентгену посылки с маслом и сахаром, однако Рентген сдавал все свои посылки для распределения среди горожан. С огромным трудом власти заставили Рентгена, потерявшего 24 килограмма, перейти на улучшенный паек. По первому призыву государства ученый отдал и все свои капиталы, размещенные в голландских ценных бумагах.

В 1919 году умерла его любимая жена. В 1920 году Рентген ушел со всех постов и остался почти без средств. Для того чтобы успеть перед смертью посетить любимые с женой места в Швейцарии, Рентген целый год отказывался от кофе и других излишеств. Тем не менее он успел в своей жизни все.

В 1895 немецкий физик Рентген , проводя опыты по прохождению тока между двумя электродами в вакууме, обнаружил, что экран, покрытый люминесцентным веществом (солью бария) светится, хотя разрядная трубка закрыта черным картонным экраном – так было открыто излучение, проникающее через непрозрачные преграды, названное Рентгеном Х-лучами. Было обнаружено, что рентгеновское излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше атомный номер (плотность) преграды, поэтому рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани человеческого тела, но задерживаются костями скелета. Были сконструированы источники мощных рентгеновских лучей, позволяющие просвечивать металлические детали и находить в них внутренние дефекты.

Немецкий физик Лауэ предположил, что рентгеновские лучи являются таким же электромагнитным излучением, как лучи видимого света, но с меньшей длиной волны и к ним применимы все законы оптики, в том числе возможна дифракция. В оптике видимого света дифракция на элементарном уровне может быть представлена как отражение света от системы штрихов – дифракционной решетки, происходящее только под определенными углами, при этом угол отражения лучей связан с углом падения, расстоянием между штрихами дифракционной решетки и длиной волны падающего излучения. Для дифракции нужно, чтобы расстояние между штрихами было примерно равно длине волны падающего света.

Лауэ предположил, что рентгеновские лучи имеют длину волны, близкую к расстоянию между отдельными атомами в кристаллах, т.е. атомы в кристалле создают дифракционную решетку для рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи, направленные на поверхность кристалла, отразились на фотопластинку, как предсказывалось теорией.

Любые изменения в положении атомов влияют на дифракционную картину, и, изучая дифракцию рентгеновских лучей,можно узнать расположение атомов в кристалле и изменение этого расположения при любых физических, химических и механических воздействиях на кристалл.

Сейчас рентгеноанализ используется во многих областях науки и техники, с его помощью узнали расположение атомов в существующих материалах и создали новые материалы с заданными структурой и свойствами. Последние достижения в этой области (наноматериалы, аморфные металлы, композитные материалы) создают поле деятельности для следующих научных поколений.

Возникновение и свойства рентгеновского излучения

Источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, в которой есть два электрода – катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. От обычной радиолампы (диода) рентгеновскую трубку отличает, в основном, более высокое ускоряющее напряжение (более 1 кВ).

Когда электрон вылетает из катода, электрическое поле заставляет его лететь по направлению к аноду, при этом скорость его непрерывно возрастает, электрон несет магнитное поле, напряженность которого растет с ростом скорости электрона. Достигая поверхности анода электрон резко тормозится, при этом возникает электромагнитный импульс с длинами волн в определенном интервале (тормозное излучение). Распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от материала анода рентгеновской трубки и приложенного напряжения, при этом со стороны коротких волн эта кривая начинается с некоторой пороговой минимальной длины волны, зависящей от приложенного напряжения. Совокупность лучей со всеми возможными длинами волн образует непрерывный спектр, и длина волны, соответствующая максимальной интенсивности, в 1,5 раза превышает минимальную длину волны.

При увеличении напряжения рентгеновский спектр резко меняется за счет взаимодействия атомов с высокоэнергетичными электронами и квантами первичных рентгеновских лучей. Атом содержит внутренние электронные оболочки (энергетические уровни), количество которых зависит от атомного номера (обозначаются буквами K, L, М и т.д.) Электроны и первичные рентгеновские лучи выбивают электроны из одних энергетических уровней на другие. Возникает метастабильное состояние и для перехода к стабильному состоянию необходим перескок электронов в обратном направлении. Этот скачок сопровождается выделением кванта энергии и возникновением рентгеновского излучения. В отличие от рентгеновских лучей с непрерывным спектром, у этого излучения очень узкий интервал длин волн и высокая интенсивность (характеристическое излучением) (см . рис.). Количество атомов, определяющих интенсивность характеристического излучения, очень велико, например, для рентгеновской трубки с медным анодом при напряжении 1 кВ токе 15 мА за 1 с характеристическое излучение дают 10 14 –10 15 атомов. Эта величина вычисляется как отношение общей мощности рентгеновского излучения к энергии кванта рентгеновского излучения из К-оболочки (К-серия рентгеновского характеристического излучения). Общая мощность рентгеновского излучения при этом составляет всего 0,1% от потребляемой мощности, остальная часть теряется, в основном, за счет перехода в тепло.

Вследствие высокой интенсивности и узкого интервала длин волн характеристическое рентгеновское излучение является основным типом излучения, используемым в научных исследованиях и при технологическом контроле. Одновременно с лучами К-серии генерируются лучи L и М-серий, имеющих значительно большие длины волн, но применение их ограничено. K-серия имеет две составляющие с близкими длинами волн a и b , при этом интенсивность b -составляющей в 5 раз меньше, чем a . В свою очередь a -составляющая характеризуется двумя очень близкими длинами волн, интенсивность одной из которых в 2 раза больше, чем другой. Чтобы получить излучение с одной длиной волны (монохроматическое излучение), разработаны специальные методы, использующие зависимость поглощения и дифракции рентгеновских лучей от длины волны. Увеличение атомного номера элемента связано с изменением характеристик электронных оболочек, при этом чем больше атомный номер материала анода рентгеновской трубки, тем меньше длина волны К-серии. Наиболее широко применяются трубки с анодами из элементов с атомными номерами от 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) и длинами волн от 2,29 до 0,712 А (0,229 – 0,712 нм).

Кроме рентгеновской трубки, источниками рентгеновского излучения могут быть радиоактивные изотопы, одни могут непосредственно испускать рентгеновское излучение, другие испускают электроны и a -частицы, генерирующие рентгеновское излучение при бомбардировке металлических мишеней. Интенсивность рентгеновского излучения радиоактивных источников обычно значительно меньше, чем рентгеновской трубки (за исключением радиоактивного кобальта, используемого в дефектоскопии и дающего излучение очень малой длины волны – g -излучение), они малогабаритны и не требуют электроэнергии. Синхротронное рентгеновское излучение получают в ускорителях электронов, длина волны этого излучения значительно превышает получаемую в рентгеновских трубках (мягкое рентгеновское излучение), интенсивность его на несколько порядков выше интенсивности излучения рентгеновских трубок. Есть и природные источники рентгеновского излучения. Радиоактивные примеси обнаружены во многих минералах, зарегистрировано рентгеновское излучение космических объектов, в том числе и звезд.

Взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллами

При рентгенографическом исследовании материалов с кристаллической структурой анализируют интерференционные картины, возникающие в результате рассеяния рентгеновских лучей электронами, принадлежащими атомам кристаллической решетки. Атомы считаются неподвижными, их тепловые колебания не учитываются и все электроны одного и того же атом считаются сосредоточенными в одной точке – узле кристаллической решетки.

Для вывода основных уравнений дифракции рентгеновских лучей в кристалле рассматривается интерференция лучей, рассеянных атомами, расположенными вдоль прямой в кристаллической решетке. На эти атомы под углом, косинус которого равен a 0 , падает плоская волна монохроматического рентгеновского излучения. Законы интерференции лучей, рассеянных атомами, аналогичны существующим для дифракционной решетки, рассеивающей световое излучение в видимом диапазоне длин волн. Чтобы на большом расстоянии от атомного ряда амплитуды всех колебаний складывались, необходимо и достаточно, чтобы разность хода лучей, идущих от каждой пары соседних атомов, содержала целое число длин волн. При расстоянии между атомами а это условие имеет вид:

а (a – a 0) = h l ,

где a – косинус угла между атомным рядом и отклоненным лучом, h – целое число. Во всех направлениях, не удовлетворяющих этому уравнению, лучи не распространяются. Таким образом, рассеянные лучи образуют систему коаксиальных конусов, общей осью которых является атомный ряд. Следы конусов на плоскости, параллельной атомному ряду, – гиперболы, а на плоскости, перпендикулярной ряду, – круги.

При падении лучей под постоянным углом полихроматическое (белое) излучение разлагается в спектр лучей, отклоненных под фиксированными углами. Таким образом, атомный ряд является спектрографом для рентгеновского излучения.

Обобщение на двумерную (плоскую) атомную решетку, а затем на трехмерную объемную (пространственную) кристаллическую решетку дает еще два аналогичных уравнения, в которые входят углы падения и отражения рентгеновского излучения и расстояния между атомами по трем направлениям. Эти уравнения называются уравнениями Лауэ и лежат в основе рентгеноструктурного анализа.

Амплитуды лучей, отраженных от параллельных атомных плоскостей складываются и т.к. количество атомов очень велико, отраженное излучение можно зафиксировать экспериментально. Условие отражения описывается уравнением Вульфа – Брэгга2d sinq = nl , где d – расстояние между соседними атомными плоскостями, q – угол скольжения между направлением падающего луча и этими плоскостями в кристалле, l – длина волны рентгеновского излучения, n – целое число, названное порядком отражения. Угол q является углом падения по отношению именно к атомным плоскостям, которые не обязательно совпадают по направлению с поверхностью исследуемого образца.

Разработано несколько методов рентгеноструктурного анализа, использующих как излучение со сплошным спектром, так и монохроматическое излучение. Исследуемый объект при этом может быть неподвижным или вращающимся, может состоять из одного кристалла (монокристалл) или многих (поликристалл), дифрагированное излучение может регистрироваться с помощью плоской или цилиндрической рентгеновской пленки или перемещающегося по окружности детектора рентгеновского излучения, однако во всех случаях при проведении эксперимента и интерпретации результатов используется уравнение Вульфа – Брэгга.

Рентгеноанализ в науке и технике

С открытием дифракции рентгеновских лучей в распоряжении исследователей оказался метод, позволяющий без микроскопа изучить расположение отдельных атомов и изменения этого расположения при внешних воздействиях.

Основное применение рентгеновских лучей в фундаментальной науке – структурный анализ, т.е. установление пространственного расположения отдельных атомов в кристалле. Для этого выращивают монокристаллы и проводят рентгеноанализ, изучая как расположения, так и интенсивности рефлексов. Сейчас определены структуры не только металлов, но и сложных органических веществ, в которых элементарные ячейки содержат тысячи атомов.

В минералогии методом ретгеноанализа определены структуры тысяч минералов и созданы экспресс-методы анализа минерального сырья.

У металлов сравнительно простая кристаллическая структура и рентгеновский метод позволяет исследовать ее изменения при различных технологических обработках и создавать физические основы новых технологий.

По расположению линий на рентгенограммах определяют фазовый состав сплавов, по их ширине – число, величину и форму кристаллов, по распределению интенсивности в дифракционном конусе – ориентировку кристаллов (текстуру).

С помощью этих методик изучают процессы при пластической деформации, включающие в себя дробление кристаллов, возникновение внутренних напряжений и несовершенств кристаллической структуры (дислокаций). При нагреве деформированных материалов изучают снятие напряжений и рост кристаллов (рекристаллизация).

При рентгеноанализе сплавов определяют состав и концентрацию твердых растворов. При возникновении твердого раствора меняются межатомные расстояния и, следовательно, расстояния между атомными плоскостями. Эти изменения невелики, поэтому разработаны специальные прецизионные методы измерения периодов кристаллической решетки с точностью на два порядка превышающей точность измерения при обычных рентгеновских методах исследования. Сочетание прецизионных измерений периодов кристаллической решетки и фазового анализа позволяют построить границы фазовых областей на диаграмме состояния. Рентгеновским методом можно также обнаружить промежуточные состояния между твердыми растворами и химическими соединениями – упорядоченные твердые растворы, в которых атомы примеси расположены не хаотически, как в твердых растворах, и в то же время не с трехмерной упорядоченностью, как в химических соединениях. На рентгенограммах упорядоченных твердых растворов есть дополнительные линии, расшифровка рентгенограмм показывает, что атомы примеси занимают определенные места в кристаллической решетке, например, в вершинах куба.

При закалке сплава, не испытывающего фазовых превращений, может возникать пересыщенный твердый раствор и при дальнейшем нагреве или даже выдержке при комнатной температуре твердый раствор распадается с выделением частиц химического соединения. Это эффект старениея и проявляется он на рентгенограммах как изменение положения и ширины линий. Исследование старения особенно важно для сплавов цветных металлов, например, старение превращает мягкий закаленный алюминиевый сплав в прочный конструкционный материал дуралюмин.

Наибольшее технологическое значение имеют рентгеновские исследования термической обработки стали. При закалке (быстром охлаждении) стали происходит бездиффузионный фазовый переход аустенит – мартенсит, что приводит к изменению структуры от кубической к тетрагональной, т.е. элементарная ячейка приобретает форму прямоугольной призмы. На рентгенограммах это проявляется как расширение линий и разделение некоторых линий на две. Причины этого эффекта – не только изменение кристаллической структуры, но и возникновение больших внутренних напряжений из-за термодинамической неравновесности мартенситной структуры и резкого охлаждения. При отпуске (нагреве закаленной стали) линии на рентгенограммах сужаются, это связано с возвращением к равновесной структуре.

В последние годы большое значение приобрели рентгеновские исследования обработки материалов концентрированными потоками энергии (лучами лазера, ударными волнами, нейтронами, электронными импульсами), они потребовали новых методик и дали новые рентгеновские эффекты. Например, при действии лучей лазера на металлы нагрев и охлаждение происходят настолько быстро, что в металле при охлаждении кристаллы успевают вырасти только до размеров в несколько элементарных ячеек (нанокристаллы) или вообще не успевают возникнуть. Такой металл после охлаждения выглядит как обычный, но не дает четких линий на рентгенограмме, а отраженные рентгеновские лучи распределены по всему интервалу углов скольжения.

После нейтронного облучения на рентгенограммах возникают дополнительные пятна (диффузные максимумы). Радиоактивный распад также вызывает специфические рентгеновские эффекты, связанные с изменением структуры, а также с тем, что исследуемый образец сам становится источником рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном.

Трудно представить современную медицину без рентгеновского аппарата. И о рентгеновском излучении знает практически каждый из нас. Но были времена, когда о нём ничего не было известно.

История открытия Х-лучей

8 ноября 1895 г. профессор физики и ректор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген проводил эксперимент по прохождению электрического разряда сквозь разреженные газы. На обоих концах закрытой стеклянной трубки, из которой был удалён практически весь воздух, располагались электроды, на которые подавалось высокое напряжение. Отрицательно заряженный электрод (катод) испускал в трубке электроны. Под действием разности потенциалов между электродами электроны ускорялись и ударялись о второй электрод. И всякий раз, когда электрический разряд проскакивал через трубку, вспыхивал зеленоватым светом находящийся поблизости экран из синеродистого бария. Отключив напряжение от трубки, Рентген увидел, что свечение также исчезло. Значит, источником неизвестных лучей являлась электронная трубка.

Неизвестные лучи оказались всепроникающими. Между трубкой и экраном Рентген помещал различные предметы: книгу, доску, лист бумаги. Неизвестные лучи легко проходили через них. Когда на пути лучей оказалась рука учёного, на световом экране он увидел силуэты костей своей руки. Более того, фотоматериалы, упакованные в светонепроницаемую бумагу и лежавшие неподалёку от электронной трубки, оказались засвеченными.

Природа открытых лучей была неизвестна, поэтому Рентген назвал их Х-лучами. Х-лучи были описаны им в рукописи «О новом виде лучей». А сама рукопись отправлена в Вюрцбургское Физико-медицинское общество. И уже 23 января 1896 г. Рентген делал научный доклад перед его членами. И после доклада под аплодисменты собравшихся 80-летний анатом Альберт фон Кёлликер предложил называть Х-лучи рентгеновскими лучами.

Нужно заметить, что ещё при жизни Рентгена удалось выяснить, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное волновое излучение.

10 декабря 1901 г Вильгельму Конраду Рентгену, первому из учёных-физиков, была вручена Нобелевская премия «в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей, названных впоследствии в его честь» . Денежную сумму Рентген завещал университету, в стенах которого он сделал своё величайшее открытие.

Применение рентгеновского излучения

Открытие Рентгена нашло своё применение в различных областях. Так, с помощью рентгеновского излучения стало возможным определять внутренние дефекты, возникающие при производственной обработке материалов. Нашли своё применение рентгеновские лучи в криминалистике, искусствоведении. На наиболее важное их применение – медицинская диагностика. Для диагностики переломов костей их начали использовать уже в 1896 г. Вскоре кроме рентгенодиагностики появилась и рентгенотерапия. Рентгеновские лучи применялипри лечении рака, туберкулёза и других болезней. Так как в то время ещё не было известно об опасности рентгеновских лучей, врачи работали без средств защиты. И через некоторое время многие из них стали жертвами лучевой болезни. Многие больные также умирали из-за слишком высокой дозы облучения.

Сегодня рентгеновские лучи применяются во многих отраслях науки и техники: рентгеновской астрономии, рентгенографии, рентгенологии, для контроля внутренней структуры различных изделий. При помощи рентгеновских лучей определяют химический состав вещества и даже структуру ДНК.