Proprietati de difractie si absorbtie a razelor x

Proprietati de difractie si absorbtie a razelor X

Razele X reprezinta unde electromagnetice similare luminii, dar cu lungimi de unda mult mai scurte si energii mult mai mari. Printre proprietatile de baza ale acestora se mentioneaza difractia si absorbtia.

1 Difractia razelor X

La trecerea prin cristale razele X sunt difractate obtinandu-se mai multe fascicule in directiile de difractie    θ₁, θ₂ . θ_n . Acest fenomen este utilizat pe larg la studiul structurii metalelor.

Considerand un cristal pe care cade un fascicul de raze X monocromatic, difractia se produce cand intre undele reflectate de doua plane atomice exista o diferenta de drum optic egala cu un numar intreg de lungimi de unda λ    Marimea unghiului de incidenta θ care satisface conditia de difractie se noteaza cu θ₂.

Ca urmare trasandu-se curba de variatie a intensitatii razelor X difractate cu unghiul 2θ rezulta o curba care prezinta un maxim de intensitate la unghiul de difractie 2θ numit linie de difractie (fig. 4.24).

O astfel de curba se caracterizeaza prin:

intensitatea maxima I_max, intensitatea integrata I, egala cu suprafata de sub curba I=7(2θ)

latimea B definita fie ca latimea la jumatatea inaltimii maxime, fie prin relatia:

B = I/I_max

Domeniul unghiular 2θ₁-2θ₂ in care intensitatea undelor difractate este diferita de zero, depinde de marimea D a grauntilor cristalului; cu cat grauntii cristalini sunt mai mici cu atat mai mare va fi latimea B a liniei de difractie, conform relatiei:

Relatia de mai sus este cunoscuta sub numele de formula lui Scherrer si stabileste legatura dintre marimea grauntilor cristalului si latimea B a liniei de difractie, precum si faptul ca aceasta latime depinde de unghiul de difractie θ variind cu 1/cosθ_B.   

Daca in calea fasciculelor de raze X difractate se aseaza o pelicula fotografica, aceasta va fi impresionata de raze, formandu-se o imagine de difractie numita roentgenograma, aspect determinat de structura probei examinate. Metoda fotografica de analiza structurala da posibilitatea determinarii rapide a pozitiilor liniilor de difractie, respectiv a unghiului q, dar ne da numai informatii calitative cu privire la intensitatea acestor linii. Informatii calitative cu privire la structura si constituenti se obtin prin microfotometrare cand se obtine curba microfotometrica aratata schematic in fig. 4.25.

Pentru inregistrarea imaginilor de difractie se pot folosi si efectele de ionizare caracteristice razelor X, cand se obtin curbe numite difractograme care dau direct intensitatea liniilor de difractie (fig. 4.26) si deci indicatii privind prezenta si continutul unor elemente in metale si aliaje.

2 Absorbtia razelor X

Absorbtia reprezinta capacitatea biomaterialelor de a absorbi razele X, aspect deosebit de important in contextul vizibilitatii unui implant prin radiofotografiere. Indicele de refractie al razelor X in orice mediu este aproape unitar. Ca urmare ele nu se reflecta in totalitate la interactiunea cu metalul solid. Contrastul de imagine a razelor X este dat de capacitatea diferita a materialelor de absorbtie a razelor X, fenomen care se supune legii Beer:

I = I_o.e^-αx

in care:

I - intensitatea razelor X la adancimea x din materialul radiat;

a - coeficientul de absorbtie a razelor X

Absorbtia razelor X de catre materiale este guvernata de urmatoarele doua efecte:

- efectul fotoelectric in care fotonul razei X incidente este absorbit de un nivel electronic dintr-un atom, eliberandu-se un electron;

- efectul Compton conform caruia razele X sunt impresionate de catre electronii de valenta liberi din material.

Absorbtia datorata efectului fotoelectric este proportionala cu numarul atomic N la puterea a 5-a si creste cu lungimea de unda l (descreste cu energia), pentru o energie a razelor X cuprinsa intre 100-350 K_eV conform relatiei:

α = N⁵·λ^7/2

Echipamentul clinic de diagnostic cu raze X utilizeaza tensiuni de accelerare cuprinse intre 20 si 200KV. Razele X emise au energii (in eV) egale sau mai mici decat cele din tubul de accelerare. Majoritatea tehnicilor radiologice utilizeaza tensiuni cuprinse intre 60 si 100 KV, interval in cadrul caruia absorbtia prin efectele fotoelectric si Compton este considerabila.

Energia razelor X este data de relatia:

E = h ν = h c/λ

in care:

h - constanta lui Planck;

c - viteza luminii;   

λ - lungimea de unda a razelor X care variaza intre 0,1 nm pentru 10 KeV si 0,005 nm pentru 200KeV.

Este deci evident faptul ca elementele chimice grele absorb puternic razele X (tabelul 4.12).

Tesutul uman contine o cantitate mare de elemente usoare (hidrogen, carbon, oxigen) care sunt relativ transparente la razele X. Oasele datorita continutului ridicat de calciu si fosfor absorb mai puternic razele X decat tesutul fibros; de asemenea implanturile metalice din corpul uman absorb puternic razele X, formand pe filme imagini cu vizibilitate ridicata.

Tabelul 4.12 Coeficientii de absorbtie masica pentru unele elemente