Portál:Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)/77. Otázka

			77. Otázka
			Absorpce rtg. záření, typy rtg. záření
			Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)
			Předchozí • Další

Absorpce rentgenového záření

Rentgenové záření je elektromagnetické záření o vlnové délce 10 – 1 pm. Rentgenové paprsky neboli paprsky X, jak zněl jejich původní název, objevil německý vědec Wilhelm Conrad Röntgen na konci devatenáctého století. Dnes jsou jednou z nejužívanějších metod ke zjištění rozličných defektů v těle pacienta a jen těžko bychom se bez nich dokázali obejít. Přitom rentgen funguje na relativně jednoduchém principu absorbce záření tkáněmi. Ty se nám poté v závislosti na jejich složení zobrazí v různě sytých odstínech šedi.

Wilhelm Conrad Röntgen

Princip absorpce rentgenového záření

Při průchodu záření absorbující látkou dochází k vzájemné interakci kvant záření s elektrony nebo celými atomy látky. Výsledkem je snížení intenzity záření ať už částečné (na principu tzv. Comptonova jevu) nebo celkové (při fotoefektu). Pravděpodobnost absorbce kvanta rentgenového záření roste úměrně v závislosti na čtvrté mocnině atomového čísla $Z^{4}$. Z toho vyplývá, že tvrdé tkáně jako je například kost absorbují záření ve větší míře než tkáně měkké s velkým obsahem vody. Útlum rentgenového záření je popisován celkovým lineárním absorpčním koeficientem $\mu$. Množství energie absorbované v jednotce hmotností absorbátoru (= látka pohlcující záření) nazýváme dávka záření a vyjadřujeme ji v jednotkách gray (Gy). Dalšími příbuznými jednotkami jsou roentgen (R) a sievert (Sv) - dávkový ekvivalent, který zohledňuje i biologické efekty záření.

Celkový lineární absorpční koeficient μ

Můžeme ho spočítat jako součet lineárního absorpčního koeficientu pro Comptonův rozptyl a fotoefekt. Formou fotoefektu probíhá absorbce při nízké energii rentgenového záření, Comptonův rozptyl se uplatňuje při vyšších energiích fotonů. Obecně je jasné, že čím hustší je absorbátor, tím větší je koeficient $\mu$ a tím více je záření tlumeno. Dále záleží koeficient $\mu$ na již zmiňované čtvrté mocnině atomového čísla absorbujícího materiálu a konečně také na vlnové délce záření. Můžeme ho tedy vyjádřit vztahem:

$\mu =\rho \cdot \lambda ^{3}\cdot Z^{4}$

Mimo jiné ze vzorce odvodíme i fakt, že s rostoucí energií záření, klesá absorpční koeficient. Energie záření je totiž nepřímo úměrná vlnové délce podle Einsteinovy rovnice.

Zajímavosti

• Absorpce rentgenového záření v kosti je zhruba 16krát větší než ve svalu.
• Každý rok jsme na Zemi vystaveni "přírodnímu" rentgenovému záření o hodnotě 2,5 mSv.

Typy RTG záření

Původ RTG záření je v elektronovém obalu. Podle vlnové délky můžeme rozlišit 2 typy RTG záření, měkké (s větší vlnovou délkou λ= 10⁻⁸−10⁻¹⁰ m) a tvrdé (λ= 10⁻¹⁰−10⁻¹² m). Používané zdroje RTG produkují dva typy záření (podle odlišného rozložení energie ve spektru):

Spektrum rentgenového záření: modře spojité, červeně charakteristické

Brzdné rentgenové záření

Elektron rychle letící (při napětí 100 kV je jejich rychlost cca 165.000 m/s) od katody k anodě se při nárazu do anody dostává do silného elektrostatického pole, kde dochází k zakřivení jeho dráhy a ke zbrždění. Kinetická energie, kterou elektron ztratil, je vyzářena ve formě fotonu RTG záření. Při tomto procesu jsou vyzařovány fotony o různých vlnových délkách. Čím více se elektron přiblíží k jádru a čím větší je jeho energie, tím větší je energie vznikajícího kvanta RTG záření. Energie brzdného rentgenového záření závisí na protonovém čísle anody a na rychlosti elektronů (tedy na velikosti napětí mezi elektrodami rentgenky). Toto záření se vyznačuje širokým spojitým energetickým spektrem, protože rychlost elektronů emitovaných katodou není jednotná. Brzdné RTG záření vytváří spojité spektrum. Elektrony ale mohou být urychleny i jiným způsobem než pouhým vystavením velmi vysokému napětí – v urychlovačích částic jako je např. lineární urychlovač, betatron nebo mikrotron se dosahuje výrazně vyšších energií než u rentgenky a vznikající RTG záření je podstatně tvrdší.

Brzdné záření se využívá v lékařské diagnostice a v radioterapii, příp. v průmyslu v defektoskopii.

Brzdné záření

Charakteristické rentgenové záření

Charakteristické RTG záření se liší podle materiálu, ze kterého je zhotovena anoda. Elektrony dopadající na anodu (většinou wolframovou) předávají svoji energii elektronům v atomech anody, tyto elektrony jsou excitovány (vyraženy do vyšší energetické hladiny), nebo úplně ionizovány (vytrženy z obalu). Pokud byl elektron pouze excitován, následně se vrací zpět do původního základního stavu, pokud byl "vyražen", potom se jeho místo zaplní elektronem z jedné z energeticky bohatších hladin vzdálenějších od jádra. Při obou variantách sestupu elektronu se uvolní značné množství energie ve formě RTG záření. Energie fotonu záření je rovna energetickému rozdílu mezi elektronovými hladinami, mezi kterými došlo k přesunutí elektronu. Rozdíl energie mezi jednotlivými hladinami je stále stejný, proto vzniká RTG záření pouze o určitých vlnových délkách – odtud plyne název charakteristické záření, protože onen energetický rozdíl, který určuje vlnovou délku záření, závisí na materiálu, ze kterého je anoda vyrobena. Získáme tedy RTG záření charakteristické pro určitý konkrétní prvek (materiál anody); jeho energie je tím vyšší, čím vyšší je protonové číslo prvku tvořícího anodu. Vzniklé záření tvoří tzv. diskrétní – čárové spektrum.

Charakteristické rentgenové záření se využívá v analytické chemii.

Výsledné záření reálného zdroje RTG je součtem brzdného a charakteristického záření.