XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Загадки рентгеновских лучей
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
После прохождения рентгена лёгких в детской поликлинике №4 г.Белгорода меня заинтересовали вопросы:
- Каким образом на рентгеновском снимке отображаются внутренние органы человека?
- Где ещё используется рентген?
На все эти вопросы я решил найти ответы в своей исследовательской работе «Загадки рентгеновских лучей».
Цель исследования: изучить рентгеновское излучение и сферы его применения.
Задачи исследования:
- выяснить, что такое рентгеновское излучение в лицее №9 и в Технологическом университете имени В.Г.Шухова;
- определить свойства рентгеновских лучей с помощью врачей в Детской областной больнице;
- провести анкетирование одноклассников о рентгеновских лучах;
- узнать, в каких сферах применяется рентгеновское излучение;
- сделать выводы.
Первая гипотеза моего исследования: в рентгеновском аппарате используются особенные лучи, которые могут проникать в мышечную ткань человека.
Объект исследования: рентгеновское излучение.
Основные формы и методы исследовательской работы:
- исследование в БГТУ имени В.Г.Шухова;
- работа с научной литературой;
- анкетирование одноклассников;
- практические наблюдения в ОГБУЗ «Детская областная больница».
2.1. Работа над первой гипотезой исследования.
Начало исследования в ОГБОУ «Лицей №9 г.Белгорода»
С помощью учителя физики лицея №9 Щербаковой Евгении Станиславовны я познакомился с двумя новыми понятиями: «электромагнитное излучение» и «рентгеновское излучение».
Электромагнитное излучение - это электромагнитные волны, возбуждаемые различными излучающими объектами, заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами. Они передаются с помощью заряженных частиц, атомов, молекул.
Различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны.
Рентгеновское излучение – это электромагнитное излучение, которое возникает либо при торможении свободно движущейся заряженной частицы, либо при электронных переходах во внутренних оболочках атома.
Исследования в БГТУ им. В.Г.Шухова.
Разобраться с этими физическими понятиями глубже мне помогли в Технологическом университете имени В.Г.Шухова, где доцент кафедры физики, кандидат технических наук Пузачёва Елена Ивановна познакомила меня со строением атома.
Я выяснил, что атом – это частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Атомы состоят из ядра и отрицательно заряженных элементарных частиц – электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных элементарных частиц (протонов) и элементарных частиц, не имеющих электрического заряда (нейтронов).
Елена Ивановна объяснила и показала мне рентгеновскую трубку, которую учёные использую для образования рентгеновского излучения.
Основные конструктивные элементы таких трубок:
- металлический катод - часть прибора, присоединённая к отрицательному полюсу источника тока;
- анод - часть прибора, соединяемая с положительным полюсом источника тока.
В рентгеновских трубках вместо катода испускаются электроны, которые ускоряются и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение.
При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация фотонов рентгеновского излучения.
Фотон – это часть электромагнитного излучения в виде поперечных электромагнитных волн и переносчик электромагнитного взаимодействия.
Работа со словарём В.Наумчика.
Из физического словаря Виктора Наумчика я узнал, что в природе существуют естественные источники рентгеновского излучения. Это Солнце, нейтронные звёзды, чёрные дыры, а также радиоактивные металлы в период их распада.
Искусственными источниками рентгеновского излучения могут быть специальные лампы, используемые в рентгеновских аппаратах, а также атомные электростанции.
Открытие В.К.Рентгена.
С помощью своего научного руководителя Черкашиной Натальи Николаевны я узнал, что 8 ноября 1895 года немецкий физик - профессор Вильгельм Конрад Рентген открыл рентгеновские лучи.
Однажды по окончании опыта профессор, закрыв трубку чехлом из черного картона, выключил свет. Но индуктор, который питает трубку, ещё не выключил. И тогда Рентген заметил свечение экрана из синеродистого бария, находящегося вблизи трубки. Пораженный этим обстоятельством, учёный начал экспериментировать с экраном.
В своем заключении В.К.Рентген указал, что им было открыто ранее неизвестное науке излучение. Профессор назвал его Х-лучи.
Учёный также установил, что степень проницаемости излучения напрямую зависит от плотности структуры объекта, на который направлен поток электромагнитных волн.
Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая рентгеновская фотография руки его жены, которую он опубликовал в своей статье.
За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике.
Открытие Николы Теслы.
Вильгельм Рентген официально открыл это излучение, названное в честь его первооткрывателя рентгеновским.
Летом года я побывал в Электрическом музее Николы Теслы в г.Сочи и узнал, что фактически это явление первым наблюдал именно этот учёный и изобретатель. Ещё в 1887 году Тесла начал проводить исследования с использованием вакуумных трубок. В ходе экспериментов учёный фиксировал «особые лучи», способные «просвечивать» предметы.
К сожалению, в марте 1895 года в лаборатории Никола Теслы произошёл пожар, и записи об этих исследованиях были утрачены.
Вывод по первой гипотезе исследования.
Рентгеновское излучение стали применять в медицине в связи с его большой проникающей способностью. Поначалу, рентгеновское излучение использовалось для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел в теле человека.
Органы и ткани человека поглощают рентгеновские лучи, причем в разной степени, в зависимости от их плотности и химического состава.
Мягкие ткани внутренних органов человека хорошо просвечиваются фотонами без отображения дефектов.
Моя первая гипотеза о том, что рентгеновские лучи являются особенными и могут проникать в мышечную ткань, подтвердилась и доказана.
2.2. Работа над второй гипотезой исследования.
Во второй гипотезе я предположил, что области применения рентгеновских лучей непосредственно связанны с их основными свойствами.
Анкетирование одноклассников.
В своём классе я провёл анкетирование одноклассников о том, в каких сферах применяются рентгеновские лучи. Только 82 % ребят обозначили медицинскую сферу применения рентгеновских лучей.
Свойства рентгеновских лучей.
В ходе исследования я выяснил, что Х-лучи отличаются высокой проникающей способностью, т.е. проникают сквозь мягкие ткани, мышечные волокна, которые не просвечиваются лучами естественного света.
Еще одним характерным свойством является флюоресценция, т.е. энергия рентгеновского излучения переходит в энергию видимого света при взаимодействии с отдельными химическими соединениями и веществами.
Также они обладают ионизирующей способностью. Под действием рентгеновских лучей происходит ионизация атомов (разложение нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы).
Биологическая функция заключается в том, что в тканях и клетках человеческого организма, которые подверглись рентгеновскому облучению, краткосрочно ускоряются обменные процессы, некоторые клетки разрушаются.
Интроскопы.
С помощью учителя физики лицея №9 Евгении Станиславовны я познакомился с интроскопами и ренгеновскими телескопами.
В аэропортах, таможенных пунктах применяются ренгенотелевизионные досмотровые установки, которые чаще называют просто интроскопами. Они предназначены для обеспечения безопасности и обнаружения запрещенных к проносу или провозу вещей, а также потенциально опасных предметов.
Различают изделия, которые предназначены для проверки багажа, ручной клади, корреспонденции и посылок, крупногабаритных грузов. Оружие, взрывчатые вещества, материалы органического происхождения и многое другое можно обнаружить за счет рентгеновского излучения, которое воздействует на предметы разного размера и плотности, передавая полученное изображение на экран оператора.
Основные принципы работы интроскопов.
Принцип работы рентгенотелевизионной установки (интроскопа) основан на рентгеноструктурном анализе. Именно за счет дифракционного рассеивания излучения, получаемого при использовании ИИИ (источников ионизирующего излучения), создается проекция внутренней структуры объекта.
Для того чтобы проверить, нет ли внутри багажа каких-либо запрещенных или незадекларированных вещей, необходимо поместить сумку, посылку, чемодан, груз или другой досматриваемый объект на движущуюся транспортерную ленту интроскопа. После того, как по ней объект попадает внутрь интроскопа, он облучается рентгеновской трубкой с определенного ракурса. В зависимости от того, какие конструктивные особенности у установки, трубка может находиться снизу, сбоку или сверху в тоннеле.
В процессе облучения направленный рентегновский луч рассеивается, сталкиваясь с предметами различной толщины и плотности. Из-за этого теряется часть энергии излучения. После того, как это произойдет, остаточная энергия будет зарегистрирована специальными детекторами и преобразована в электрические сигналы. Они уже поступают в процессорный блок, где и обрабатываются, выдавая на экран оператора рентгеновское изображение досматриваемого объекта.
Материалы и предметы с большой плотностью поглощают большое количество излучения, а потому на экране такие предметы обозначаются более темными цветами. Соответственно, изделия и вещества с малой плотностью способны поглотить небольшое количество излучения, на изображении они обозначаются более светлыми цветами. За счет этого оператор получает полное представление о содержимом багажа, посылки или груза. Изображение на экране передает всю внутреннюю структуру объекта.
Ренгеновские телескопы.
Для изучения космических рентгеновских излучений используют ренгеновские телескопы – это телескопы, предназначенные для наблюдения удаленных объектов в рентгеновском спектре. Для работы таких телескопов обычно требуется поднять их над атмосферой Земли, непрозрачной для рентгеновских лучей. Поэтому телескопы размещают на высотных ракетах или на искусственных спутниках Земли.
Рентгеноскопия в живописи.
В искусстве живописи рентгеновские лучи позволяют узнать о старинных картинах много интересных фактов. Приоткрывая тайную завесу, они помогают забытым героям обрести их истинные имена, разоблачают подделки, а так же выявляют неведомые картины под известными шедеврами.
Так, к примеру, картина Винсента Ван Гога «Лоскут травы» (1887 год) скрывает портрет неизвестной женщины. «Спрятанное» изображение помогла выявить новая технология, основой которой является рентгеноспектральный флуоресцентный анализ синхротронного излучения. В 2008 году учёные из Бельгии и Нидерландов обнаружили под красочным слоем картины женский портрет.
На каникулах я побывал в Третьяковской галерее г.Москвы и подробно познакомился с картиной Ильи Репина «Монахиня» (1878 год) и с историей её написания. Рентген-анализ полотна «Монахиня» неожиданно показал, что при его создании позировавшая девушка была одета в бальное платье, а вместо чёток в её руках был веер, что и было выявлено под верхним слоем краски благодаря рентгенографии.
Сначала великий художник изображал Софью Шевцову, в которую был тогда влюблён. Но Репин и Шевцова сильно поссорились, пока шла работа над портретом. Вспыльчивый художник не пожалел темной краски и закрасил бальный наряд, высоко собранные локоны и веер в руках юной красавицы.
В ОГБУЗ «Детская областная больница».
Но наиболее широко рентгеновское излучение применяется в медицине. Поэтому я продолжил свое исследование в Детской областной больнице.
Врач-рентгенолог Солодовникова Тамара Павловна познакомила меня с методами, основанными на рентгеновском излучении. Они являются основными при диагностике большинства заболеваний.
К этим методам относится рентгенография, флюорография, рентгеноскопия и томография.
Я составил таблицу применения этих методов в медицине.
|
МЕТОДЫ |
ПРИМЕНЕНИЕ |
|
Рентгенография |
-это методика, при которой в результате воздействия рентгеновских лучей на органы и ткани получают их двухмерные снимки. |
|
Флюорография |
применяется с профилактической целью и тоже предполагает двухмерное изображение, но с меньшим облучением и низким разрешением изображения. И используется этот метод только для просвечивания легких. |
|
Рентгеноскопия |
позволяет получать объемные изображения за счет изучения пациентов в вертикальном и горизонтальном положениях с различными поворотами вокруг оси. |
|
Томография |
отличается тем, изображение формируется послойно без эффекта суммации. Аппарат изучает исследуемый участок послойно, в результате чего получается серия снимков, которые далее можно реконструировать в разных плоскостях. |
Вред для здоровья от рентгеновского излучения.
В Детской областной больнице меня познакомили с вредным влияниемрентгеновского излучения на здоровье человека, которое зависит от уровня дозы и от того органа, который подвергался воздействию. При этом происходят следующие нарушения в организме человека:
- повреждение значительного числа клеток тканей;
- возникновение радиационных ожогов;
- лучевая болезнь;
- преждевременное старение;
- повреждение хрусталика глаза с развитием катаракты.
Вывод по второй гипотезе исследования.
Моя вторая гипотеза тоже подтвердилась. Я доказал, что области применения рентгеновских лучей непосредственно связаны с их основными свойствами. Рентгеновское излучение обладает рядом свойств, благодаря которым, оно широко используется в медицине, науке и технике.
3. Заключение.
В ходе своей исследовательской работы я выявил особенности рентгеновских лучей:
невидимые человеческому глазу, они проникают сквозь непрозрачные предметы и тела;
поглощаются тем интенсивнее, чем больше в менделеевской таблице порядковый (атомный) номер изучаемого вещества;
вызывают свечение определенных химических соединений и веществ;
распространяются линейно (не способны огибать предметы).
4. Список научной литературы.
М.П.Бронштейн. Квантовая физика. Москва: Изд. «Аванта», 2020г.
Л.Д. Вайткене. Физика (серия «Энциклопедия занимательных наук для детей). Москва: Изд. «Аванта», 2016 г.
А.А.Леонович. Физика без формул. Москва: Изд. «Аванта», 2016г.
Т.Меллер. Карманный атлас рентгенологической анатомии. Москва: Изд. «Лаборатория знаний», 2020 г.
В.Н.Наумчик, Э.М.Шпилевский. Физический словарь школьника. Москва: Изд. «Книжный дом», 2003 г.
Я.И.Перельман. Занимательная физика. Москва: ИД Мещерякова, 2020г.
В.К.Рентген. Гений простоты и точности эксперимента // Журнал «Природа» №2. Москва: Изд. «Наука», 2020г.