Рентгеновские лучи и их применение

Класс: 11

Учитель: Хакимова Альбина Тахавиевна, учитель физики МБОУ СОШ № 24

г. Уфы

Тема: Рентгеновское излучение 

Цели урока:

• Образовательные:

  • познакомить учащихся с историей открытия рентгеновского излучения, использования рентгеновского излучения в медицине и промышленности;

  • привить интерес к предмету, углубить и расширить знания учащихся.

• Развивающие:

  • формировать навыки нахождения нужной информации из разнообразных источников, в том числе и в Интернете;

  • стимулировать поисковую деятельность учащихся, развивать умение анализировать и обобщать результаты исследования, делать выводы.

• Воспитательные:

  • воспитание уверенности в своих творческих способностях; формирования умения сотрудничества, ответственности.

План проведения:

1. Оргмомент

2. Актуализация

3. Изучение нового материала

4. Закрепление

5. Рефлексия

6. Домашнее задание

Ход урока:

Орг. момент (приветствие):

Здравствуйте, садитесь. Урок хотелось бы начать словами Льва Толстого: «Знание только тогда знание, когда оно приобретено усилиями своей мысли, а не памятью».

 Обратите внимание на шкалу электромагнитных излучений. Рентгеновское излучение располагается на ней в самом конце, после него только гамма – лучи.

Это один из последних видов излучения, сведения о котором мы будем заносить в сводную таблицу электромагнитных излучений.

Давайте сначала мы проверим всё то, что вы узнали о спектральном анализе, инфракрасном и ультрафиолетовом излучениях из прошедшего урока…

Проверка домашнего задания: 

1.Что такое спектральный анализ и где он применяется?

2.Почему сушить окрашенные изделия лучше не в печах, а в инфракрасных сушилках?

3.Почему в облачную погоду на улице тепло?

4.Для чего спецодежду сталеваров покрывают прочным слоем фольги?

5.Почему в горах можно загореть значительно быстрее?

 6.Осенью в садах белят стволы, а иногда и ветви деревьев. Для чего это делают?

7.Почему сварщики во время работы должны предохранять глаза темным стеклом?

8.Ртутные лампы ультрафиолетового излучения делают из кварцевого, а не из обычного стекла. Для чего?

9.Почему глаз зрительно не воспринимает волн короче 0,4 мкм?

10.то понимают под инфракрасным излучением, при каких условиях оно возникает и какими свойствами обладает?

11.Что понимают под ультрафиолетовым излучением, дайте краткую им характеристику.

Изучение нового материала:

На сегодняшнем уроке мы познакомимся с рентгеновским излучением, на основе которого работают все приборы, находящиеся в рентген кабинете и флюорографии. Узнаем, когда и кем было открыто данное излучение, а также области его применения.

В январе 1896 года весь земной шар облетело странное известие. Какому-то немецкому ученому удалось открыть неведомые дотоле лучи, обладающие загадочными свойствами.

Первое загадочное свойство лучей – они невидимы. Они не окрашены – цвета у них нет.

Второе удивительное свойство – они проходят сквозь плотный картон, сквозь алюминий, сквозь толстые доски. Непрозрачное для них - прозрачно.

Третье свойство лучей – есть вещества, на которые они производят необычное действие. Кристаллы платино - цианистого бария, сернистого цинка внезапно вспыхивают ярким светом, чуть только на них упадут невидимые лучи. Под действием невидимых лучей чернеет фотографическая пластинка. И сам воздух чудесно меняется, когда его пронизывают невидимые лучи: он приобретает новое свойство – способность пропускать электрический ток.

Газеты, напечатавшие известие о лучах, только упомянули имя человека, который совершил необыкновенное открытие: Вильгельм-Конрад Рентген.

Рентген был человеком аскетической скромности… В Мюнхене, живя с женой и ее осиротевшей племянницей, Рентген вел скромный, замкнутый образ жизни. Ему был чужд тот дух сенсации и моды, который царил сразу вокруг его открытия. Он был требователен и к себе, и к другим, и слава его не прельщала.

Рентген отказывался от орденов, не патентовал своего изобретения и не получал тех баснословных прибылей, которые мог получить в связи с применением своего открытия.

Представители немецкого акционерного общества, спекулируя на национальных интересах, сулили ему златые горы; на это Рентген отвечал: «Мое изобретение принадлежит человечеству. Я немец, и мне не меньше, чем вам дорога честь родины, но прошу уволить. А сейчас извините, мне пора работать».

Ученый отказался от почетной, высокооплачиваемой должности члена академии наук, от кафедры физики в Берлинском университете, от дворянского звания.

В 1899 г., вскоре после закрытия кафедры физики в Лейпцингском университете, Рентген стал профессором физики и директором Физического института при Мюнхенском университете. Находясь в Мюнхене, Рентген узнал о том, что он стал первым Лауреатом Нобелевской премии 1901 года по физике.

Помимо Нобелевской премии Рентген был удостоен медали Румфорда Лондонского королевского общества, золотой медали Барнарда за выдающиеся заслуги перед наукой Колумбийского университета, и состоял почетным членом и членом-корреспондентом научных обществ многих стран.

Рентген ушел в отставку со своих постов в Мюнхене в 1920 г., вскоре после смерти жены.

Когда он, первый лауреат Нобелевской премии, оказался в крайне стесненном материальном положении (в годы первой мировой войны), его друзья из Голландии присылали голодающему ученому в Германию масло и сахар. Но он не мог позволить себе личное благополучие в обстановке бедствия своего народа и посылки направлял для общественного распределения. Только явная угроза голодной смерти заставила его согласиться на дополнительный паёк.

Умер он 10 февраля 1923 года от болезни, вызванной лучами, которым он дал жизнь и имя (от рака внутренних органов). 

В своих опытах Рентген использовал стеклянный шар с двумя впаянными внутрь металлическими пластинами. К обеим пластинам было приделано по проволочке. Концы проволочек торчали наружу сквозь стеклянную стенку шара и соединялись с индукционной катушкой изобретенной парижским механиком Румкортом. Воздух из шара был выкачен. 

Так начинались опыты Рентгена до тех пор, пока…

Неожиданная находка

8 ноября 1895 года Рентген обнаружил необычайное явление. Случилось это так.
Был вечер. Ассистенты, целый день трудившиеся над своими измерениями, усталые разошлись по домам. Ушел и старик-смотритель. Рентген остался в лаборатории один. Он собирался работать до поздней ночи. Он хотел выяснить, как отражается на электрическом токе степень разреженности газа, форма баллона и расположение пластин. Результаты своих наблюдений Рентген вносил в лабораторный дневник. Часы пробили одиннадцать.

Рентгена клонило ко сну. Он накрыл свой последний баллон плотным картонным футляром. Оставалось только разомкнуть ток в индукционной катушке, погасить свет и уйти. Но по рассеянности Рентген позабыл выключить катушку. Он погасил свет и уже направился было к дверям, когда треск молоточка вывел его из задумчивости. Рентген вернулся, и вот тут-то его глазам представилось удивительное зрелище. 
На столе – не на том столе, а на соседнем – мерцало странное сияние. Тусклым зеленовато-желтым огнем горел какой-то маленький предмет. Рентген в темноте направился к столу, чтобы посмотреть, в чем там дело. Оказалось, это светился кусочек бумаги. Бумага была не простая: она была покрыта с одной стороны слоем платино - цианистого бария. Это вещество имеет обыкновение светиться, если на него упадут солнечные лучи. Но ведь на дворе ночь, в комнате полная тьма. Почему же светится платино -цианистый барий? В полной темноте Рентген нащупал рубильник и разомкнул ток. Бумага, которую он держал в руке, сейчас же перестала светиться. Он снова включил. И бумага засверкала снова. Рентген уже не думал уходить из лаборатории. Он решил исследовать непонятное явление. Что заставляет бумагу светиться? Индукционная катушка? При проверке оказалось – нет. Сомнений не оставалось. Все дело в баллоне: когда сквозь баллон проходит электрический ток, тогда-то и светится бумага. Что же за невидимая сила, проходящая не только сквозь стеклянный баллон, но и сквозь картонный футляр, прикрывающий этот баллон?

Рентген решил назвать неизвестное, открытое им явление «лучи икс».

И он решил продолжить свои опыты до тех пор, пока неизвестная сила не превратится в известную.

Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в которых было исчерпывающее описание новых лучей, впоследствии сотни работ его последователей, опубликованных затем на протяжении 12 лет, не могли ни прибавить, ни изменить ничего существенного. Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: «Я уже всё написал, не тратьте зря время». Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки его жены, которую он опубликовал в своей статье. 

Рентген не получил никакой финансовой выгоды от своего открытия. Он категорически отказался запатентовать какие-либо его детали, так как считал, что Х-лучи должны служить всему человечеству.

Итак, какими свойствами обладают лучи?

1. Большая проникающая и ионизирующая способность.

2. Не отклоняются электрическим и магнитным полем.

3. Обладают фотохимическим действием.

4. Вызывают свечение веществ.

5. Заметно не отражаются и не испытывают преломления.

6. Обладают высокой проникающей способностью

7.Оказывают биологическое действие на живые клетки.

Дифракция рентгеновских лучей

Если рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны, то оно должно обнаруживать дифракцию — явление, присущее всем видам волн. Сначала пропускали рентгеновские лучи через очень узкие щели в свинцовых пластинках, но ничего похожего на дифракцию обнаружить не удавалось. Немецкий физик Макс Лауэ предположил, что длина волны рентгеновских лучей слишком мала для того, чтобы можно было обнаружить дифракцию этих волн на искусственно созданных препятствиях. Ведь нельзя сделать щели размером 10^-8 см, поскольку таков размер самих атомов. А что если рентгеновские лучи имеют примерно такую же длину волны? Тогда остается единственная возможность - использовать кристаллы. Они представляют собой упорядоченные структуры, в которых расстояния между отдельными атомами по порядку величины равны размеру самих атомов, т. е. 10^-8 см. Кристалл с его периодической структурой и есть то естественное устройство, которое неизбежно должно вызвать заметную дифракцию волн, если длина их близка к размерам атомов.

И вот узкий пучок рентгеновских лучей был направлен на кристалл, за которым была расположена фотопластинка. Результат полностью согласовался с самыми оптимистическими ожиданиями. Наряду с большим центральным пятном, которое давали лучи, распространяющиеся по прямой, возникли регулярно расположенные небольшие пятнышки вокруг центрального пятна (рисунок). Появление этих пятнышек можно было объяснить только дифракцией рентгеновских лучей на упорядоченной структуре кристалла.

Рисунок

     Исследование дифракционной картины позволило определить длину волны рентгеновских лучей. Она оказалась меньше длины волны ультрафиолетового излучения и по порядку величины была равна размерам атома (10^-8 см).

Каким же образом можно получить рентгеновские лучи?

Устройство рентгеновской трубки

В настоящее время для получения рентгеновских лучей разработаны весьма совершенные устройства, называемые рентгеновскими трубками.

На рисунке изображена упрощенная схема электронной рентгеновской трубки. Катод 1 представляет собой вольфрамовую спираль, испускающую электроны за счет термоэлектронной эмиссии. Цилиндр 3 фокусирует поток электронов, которые затем соударяются с металлическим электродом (анодом) 2. При этом рождаются рентгеновские лучи. Напряжение между анодом и катодом достигает нескольких десятков киловольт. В трубке создается глубокий вакуум; давление газа в ней не превышает 10^-5 мм рт. ст.

В мощных рентгеновских трубках анод охлаждается проточной водой, так как при торможении электронов выделяется большое количество теплоты. В полезное излучение превращается лишь около 3% энергии электронов.

Рентгеновские лучи имеют длины волн в диапазоне от 10^-12- 10^-8 м (частот 3*10¹⁶-3*10²⁰ Гц). А здесь вы видите современную рентгеновскую трубку. 

Вопрос: каким образом возникают рентгеновские лучи?

(в результате торможения быстрых электронов с металлическим анодом).

 В природе есть естественные источники рентгеновских лучей – это солнечная корона и некоторые другие небесные тела.

Что является причиной возникновения рентгеновского излучения?

 Вокруг летящих электронов существует магнитное поле, поскольку движение электронов представляет собой электрический ток. При резком торможении электрона в момент удара о препятствие магнитное поле электрона быстро изменяется и в пространство излучается электромагнитная волна.

Рентгеновские лучи принято различать по жесткости: чем больше скорость электронов при торможении, тем меньше длина волны излучения, тем лучи считаются более жесткими.

Что собой будет представлять спектр рентгеновского излучения?

Тормозное излучение рентгеновской трубки имеет сплошной спектр. Если электроны в ускоряющем поле приобретут достаточно высокую скорость, чтобы проникнуть внутрь атома анода и выбить один из электронов его внутреннего слоя, то на его место переходит электрон из более удаленного слоя с излучением кванта большой энергии. Такое рентгеновское излучение имеет строго определенные длины волн, поэтому оно называется характеристическим.

Существуют 2 различного вида излучения: тормозное и характеристическое. Возникновение тормозного излучения объясняют на основе представлений электродинамики: при торможении электронов в веществе возникает электромагнитное излучение со сплошным спектром. Увеличение энергии электронов дает возможность уменьшить длину волны и увеличить проникающую способность излучения. Напряжение в различных рентгенустановках варьируется от десятков до 100000000 вольт.

Механизм возникновения характеристического излучения сходен с испусканием атомами линейчатого излучения и связан с переходом атомов с верхних уровней энергии на нижние. Характеристическое излучение имеет линейчатый спектр, накладывающийся на сплошной спектр тормозного излучения. При увеличении порядкового номера элемента в таблице Менделеева рентгеновский спектр излучения его атомов сдвигается в сторону коротких длин волн.

Спектр характеристического излучения линейчатый. Замечательно, что линейчатый спектр спектра получается от вещества, находящегося в твердом состоянии. Внутренние слои атомов не изменяются при изменении агрегатного состояния вещества и химических связей атомов. Благодаря этому возможно с помощью характеристического излучения определять состав минералов и твердых тел. Большая проникающая способность рентгеновского излучения-самое замечательное свойство. Оно может быть объяснено большой энергией рентгеновских квантов.

Применение:

С момента открытия стало ясно практическое предназначение Х-лучей, прежде всего медицинское. Уже в 1896 г. их использовали для диагностики, немного позже - для терапии, а еще позже – для лечения раковых заболеваний. С момента открытия стало ясно практическое предназначение Х-лучей, прежде всего медицинское. Уже в 1896 г. их использовали для диагностики, немного позже – для терапии. Через 13 дней после сообщения Рентгена, 20 января 1896 г., в Дортмунде* (штат Нью-Гемпшир, США) врачи с помощью рентгеновских лучей наблюдали перелом руки пациента. Медики получили исключительно ценный инструмент. Под руководством А.С. Попова рентгеновскими аппаратами были оборудованы крупные корабли российского флота. Так, на крейсере «Аврора», во время Цусимского сражения, были рентгенологически обследованы около 40 раненых матросов, что избавило их от мучительных поисков осколков с помощью зонда.

Первым открытие рентгена в рекламно-коммерческих целях применил Т. Эдисон: в мае 1896 г. он в Нью-Йорке организовал выставку, где желающие могли разглядывать на экране изображение своих конечностей в рентгеновских лучах. Но после того, как его помощник умер от ожогов Х-лучами, Эдисон прекратил все опыты с ними. Однако, несмотря на опасность, работы с новыми лучами продолжались.

Научное значение открытия Рентгена раскрывалось постепенно, что подтверждается присуждением еще семи нобелевских премий за работы в области рентгеновских лучей:

• в 1914 г., за открытие дифракции рентгеновских лучей (М. фон Лауэ);

• в 1915 г., за изучение структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей (отцу и сыну Брэггам);

• в 1917 г., за открытие характеристического рентгеновского излучения (Ч.Баркле);

• в 1924 г., за исследования спектров в диапазоне рентгеновских лучей (К.Сигбану);

• в 1927 г., за открытие рассеяния рентгеновских лучей на свободных электронах вещества (А.Комптону);

• в 1936 г., за вклад в изучение молекулярных структур с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронов (П.Дебаю);

• в 1979 г., за разработку метода осевой (рентгеновской) томографии (А.Кормаку и Г.Хаунсфилду).

Рентгеновские лучи применяются:

1. В медицине

При помощи рентгеновских лучей можно просветить человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов, а также для лечения раковых заболеваний.  

Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

Рентгенография-один из основных методов лучевой диагностики, состоящий в получении на светочувствительном слое постоянного негативного изображения исследуемого объекта.

С одной стороны, рентгенография является наряду с рентгеноскопией, основным методом рентгенологического исследования и относится к компетенции врача-рентгенолога, т. е. является методом чисто врачебного исследования, способствующим установлению диагноза.

В настоящее время рентгенография остается основным методом диагностики поражений костно-суставной системы. Важную роль играет при обследовании легких, особенно в качестве скринингового метода.

Методы контрастной рентгенографии позволяют оценить состояние внутреннего рельефа полых органов, распространённость свищевых ходов и др.

По окончании исследования Вам придется подождать некоторое время (обычно не более 2 часов) для анализа изображений врачом, печати протокола и снимков. На руки пациенту выдаются результаты на компакт-диске и протокол исследования с заключением врача.

Рентгенография применяется для диагностики:

• pентгенологическое исследование органов позволяет уточнить форму органов, их положение;

• рентгенологическое исследование толстой кишки (ирригоскопия) применяется для распознавания опухолей, полипов, дивертикулов и кишечной непроходимости; 

• рентгенологическое исследование грудной клетки - инфекционные, опухолевые и другие заболевания; 

• рентгенологическое исследование позвоночника - дегенеративно-дистрофические (остеохондроз, спондилёз, искривления), инфекционные и воспалительные (различные виды спондилитов), опухолевые заболевания. 

• рентгенологическое исследование различных отделов периферического скелета- на предмет различных травматических (переломы, вывихи), инфекционных и опухолевых изменений. 

• рентгенологическое исследование брюшной полости - перфорации органов, функции почек (экскреторная урография) и другие изменения. 

• рентгенологическое исследование челюстно-лицевого отдела, состояние зубов, челюстей. 

• рентгенологическое исследование молочной железы.

Преимущества рентгенографии: 

• Широкая доступность метода и комфортность в проведении исследований. 

• Для большинства исследований не требуется специальной подготовки пациента. 

• Относительно низкая стоимость исследования. 

• Снимки могут быть использованы для консультации у другого специалиста или в другом учреждении.

2. В промышленности

Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией. Рентгеновская дефектоскопия основана на изменении поглощения рентгеновских лучей в изделии при наличии в нем полости или инородных включений.

3. В научных исследованиях

В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК. 

Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгено - флюоресцентным анализом.
В настоящее время начинает развиваться область рентгеноскопии на базе применения рентгеновских лазерных лучей.

4. В искусстве

Полотно Репина под рентгеновскими лучами.

Многие полотна, которые хранятся в Государственной Третьяковской галерее, проходят экспертизу в научно-экспертном отделе музея, где их исследуют с помощью современной рентгеновской аппаратуры, а также инфракрасных и ультрафиолетовых излучений. Цель этой экспертизы-убедиться в подлинности картины, а также найти лучшие способы ее хранения. Подчас такие исследования приводят к интересным открытиям.

В 1874 году Илья Ефимович Репин сообщил художнику В. Д. Поленову из французского города Веля: «Веруньку украсили маками…и она, представь себе, мне позировала в позе республиканки Первой республики».

Где же портрет дочери художника, о котором сообщается в этом письме? Был ли он уничтожен автором? Затерялся? А может быть, и вовсе не был написан?

Совершенно неожиданно этот портрет был обнаружен при весьма странных обстоятельствах.

Рентгенолог Государственной Третьяковской галереи М.П. Виктурина проводила обследование известного репинского полотна-портрета его двухлетней дочери Верочки в соломенной шляпке. Этот портрет, написанный в 1874 году, справедливо назван академиком И.Э. Грабарем «подлинным шедевром». И вдруг на рентгенограмме под известным изображением девочки проступил другой портрет. Это и был тот самый рисунок «Веруньки в маках», о котором Репин уведомлял Поленова.

Любопытно, что при дальнейшем исследовании рентгенограммы выяснилось, что и «Верунька в маках» написана не на чистом холсте, а рядом был еще один мужской портрет.

Мы пока не знаем, кого хотел написать Репин на данном холсте. Ясно только то, что этот портрет не удовлетворил мастера, как и замысел написать дочь» в позе республиканки Первой республики».

Рентгенограмма помогла обнаружить эти исчезнувшие портреты, которые навсегда, к сожалению, останутся лишь в черно-белом варианте.

Закрепление изученного материала:              

1. Что представляют собой рентгеновские лучи?

2. Как В. Рентген открыл Х-лучи?

3. Как возникают рентгеновские лучи?

4. Что означает число 1895?

5. Как устроена рентгеновская трубка?

6. Каким образом удалось доказать, что рентгеновские лучи-это особые электромагнитные волны?

7. Когда и кем была доказана гипотеза о малой длине волны рентгеновского излучения?

8. Каковы основные свойства рентгеновских лучей?

9. Какова природа рентгеновского излучения?

10. Где и для чего применяют рентгеновские лучи?

11. На основе какого свойства рентгеновских лучей можно получить изображение внутренних органов человека?

12. Какую информацию несет изображенная Лауэ-грамма-картина «нарисованная» рентгеновскими лучами?

13. Почему не строят рентгеновские микроскопы?

14. Почему рентгеновскую пленку хранят в свинцовой коробке, а при съемке её помещают в алюминиевую кассету?

15. При рентгенодиагностике желудочно-кишечного тракта больному дают «бариевую кашу». Для чего это делается?

16. Металлическая пластинка под действием рентгеновских лучей зарядилась. Каков знак ее заряда?

17. Электроны в катодном луче телевизионной трубки, достигнув экрана, внезапно останавливаются. Не возникает ли рентгеновское излучение? Не опасно ли при этом смотреть телевизор?

18. Для чего врачи – рентгенологи пользуются при работе перчатками, фартуками и очками, в которые введены соли свинца?

19. Какие два вида рентгеновского излучения вы знаете?

Урок хотелось бы закончить словами Я. Полонского

Царство науки не знает предела-

Всюду следы ее вечных побед,

Разума слово и дело,

Сила и свет.

Поведение итогов урока.

Рефлексия «Незаконченное предложение».

Ученики дописывают продолжение предложений «На уроке я открыл(а) для себя…», «Данный урок позволил мне…», «Такой урок интересен тем, что…».

Домашнее задание. §86