Ακτίνες Χ

Έχετε βγάλει ακτινογραφία; Τι αισθανθήκατε; Είδατε τίποτα κατά τη διάρκεια της ακτινογράφησης; Τι είναι αυτή η ακτινοβολία που χρησιμοποιήθηκε και πώς παράγεται;

Wilhelm Conrad Röntgen 1845-1923 Λίγη ιστορία Το 1895 ο Γερμανός φυσικός Wilhelm Conrad Röntgen μελετούσε τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων που επιταχύνονταν από ηλεκτρικό πεδίο, μέσα σε σωλήνα κενού. Wilhelm Conrad Röntgen 1845-1923

Ο Roentgen παρατήρησε ότι, όταν πλησίαζε στο σωλήνα μία φθορίζουσα ουσία, τότε η ουσία, ακτινοβολούσε φως, ενώ, όταν πλησίαζε ένα φωτογραφικό φιλμ, τότε αυτό μαύριζε. υποστήριξε ότι τα φαινόμενα αυτά οφείλονταν σε ένα νέο άγνωστο τύπο ακτίνων, τις οποίες ονόμασε ακτίνες Χ. Το Χ χρησιμοποιήθηκε όπως χρησιμοποιείται στην Άλγεβρα για το σύμβολο του αγνώστου. Σήμερα οι ακτίνες Χ ονομάζονται και ακτίνες Roentgen.

Ούτε θέλησε να πάρουν οι ακτίνες Χ το όνομά του. Για την ανακάλυψή του αυτή ο Ρέντγκεν πήρε, το 1901, το βραβείο Nόμπελ Φυσικής. Ο Ρέντγκεν δώρισε τα χρήματα του βραβείου στο πανεπιστήμιο που εργαζόταν. Όπως και ο Πιερ Κιουρί, μετά από μερικά χρόνια, ο Ρέντγκεν αρνήθηκε να πάρει χρήματα από τις πατέντες εφαρμογής της ανακάλυψής του. Ούτε θέλησε να πάρουν οι ακτίνες Χ το όνομά του. Το 2004 η I.U.P.A.C. έδωσε το όνομά του στο στοιχείο Ρεντγκένιουμ. Δεξιά κάτω: Ακτινογραφία με ακτίνες Χ του χεριού της κας Röntgen, που πήρε ο ίδιος ο Röntgen στις 23 Ιανουαρίου 1896

Παραγωγή των ακτίνων Χ Η συσκευή παραγωγής ακτίνων Χ αποτελείται από ένα γυάλινο σωλήνα εφοδιασμένο με δύο ηλεκτρόδια, την άνοδο και την κάθοδο. Η κάθοδος θερμαίνεται και εκπέμπει ηλεκτρόνια. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της καθόδου τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται στη μονάδα του χρόνου. Μεταξύ της ανόδου και της καθόδου εφαρμόζεται υψηλή τάση, που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια.

Ο σωλήνας περιέχει αέριο σε πολύ χαμηλή πίεση, ώστε να περιορίζονται οι συγκρούσεις των ηλεκτρονίων με τα μόρια του αερίου. Τα ηλεκτρόνια προσπίπτουν στην άνοδο με μεγάλη ταχύτητα. Τότε η άνοδος εκπέμπει ακτίνες Χ. Στην άνοδο αναπτύσσεται πολύ υψηλή θερμοκρασία, γι αυτό το υλικό της είναι δύστηκτο μέταλλο μεγάλου μαζικού αριθμού (π.χ. βολφράμιο) και υπάρχει σύστημα ψύξης.

Όταν ηλεκτρόνια μεγάλης ταχύτητας, που έχουν επιταχυνθεί από υψηλή τάση, προσπίπτουν σε μεταλλικό στόχο, τότε παράγονται από αυτόν ακτίνες Χ.

Συσκευές παραγωγής ακτίνων Χ

Φύση των ακτίνων Χ Πειραματικά έχει αποδειχθεί ότι οι ακτίνες Χ Είναι αόρατη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Όπως όλα τα είδη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, αποτελούνται από φωτόνια. Τα φωτόνια των ακτίνων Χ έχουν πολύ μικρότερο μήκος κύματος από εκείνο των φωτονίων του ορατού φωτός. Το μήκος κύματος των ακτίνων Χ είναι συγκρίσιμο με τις διαστάσεις του ατόμου.

Φάσμα των ακτίνων Χ Το φάσμα της ακτινοβολίας Χ είναι σύνθετο: ένα συνεχές και ένα γραμμικό φάσμα. Επάνω στο συνεχές φάσμα εμφανίζονται μερικές γραμμές (γραμμικό φάσμα). Τα δύο είδη φάσματος οφείλονται σε δύο διαφορετικές διαδικασίες παραγωγής των ακτίνων Χ. Φάσμα ακτίνων Χ Άνοδος από μολυβδένιο Τάση: 35 kV

Γραμμικό φάσμα ακτίνων Χ Γραμμικό φάσμα δίνει η διαδικασία παραγωγής φωτονίου μετά από διέγερση λόγω κρούσης. Η διεθνής ονομασία αυτής της διαδικασίας είναι: εκπομπή στοιβάδας Κ.

Γραμμικό φάσμα ακτίνων Χ Τα κινούμενα ηλεκτρόνια συγκρούονται με μεμονωμένα άτομα του υλικού της ανόδου. Τα άτομα της ανόδου διεγείρονται. Ένα ηλεκτρόνιο της θεμελιώδους κατάστασης (της στοιβάδας Κ) του ατόμου μεταπηδά σε άλλη επιτρεπόμενη τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας. Η κενή θέση του ηλεκτρονίου μπορεί να συμπληρωθεί από ένα ηλεκτρόνιο του ατόμου που βρίσκεται στις εξωτερικές στιβάδες, με ταυτόχρονη εκπομπή ενός φωτονίου ακτίνων Χ.

1 2 3

Επειδή οι επιτρεπόμενες τιμές της ενέργειας του ατόμου είναι καθορισμένες, οι συχνότητες των φωτονίων που εκπέμπονται θα είναι καθορισμένες. Επομένως το φάσμα του φωτός που εκπέμπει το άτομο θα αποτελείται από γραμμές που είναι χαρακτηριστικές του υλικού της ανόδου. Επειδή η ενέργεια που απαιτείται, για να εκδιωχθεί ένα ηλεκτρόνιο από μια εσωτερική τροχιά, είναι μεγάλη, θα πρέπει και η ενέργεια του ηλεκτρονίου που προκαλεί τη διέγερση να είναι μεγάλη. Επομένως απαιτείται το ηλεκτρόνιο να έχει επιταχυνθεί από μεγάλη διαφορά δυναμικού.

Συνεχές φάσμα ακτίνων Χ Η διεθνής ονομασία αυτής της διαδικασίας είναι: Bremsstrahlung (Μπρεμστράλουνγκ = ακτινοβολία φρεναρίσματος). Σύμφωνα με μια αρχή της κλασικής φυσικής, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπεται κάθε φορά που ένα φορτίο επιταχύνεται (ή επιβραδύνεται).

Το ταχέως κινούμενο ηλεκτρόνιο, που πέφτει πάνω στο μεταλλικό στόχο, επιβραδύνεται. Έτσι χάνει ενέργεια ακτινοβολώντας. Θυμίζει κάτι; Αυτή η ακτινοβολία είναι ακτίνες Χ.

Από την αρχή διατήρησης της ενέργειας: H απώλεια της κινητικής ενέργειας Kα-Κτ του ηλεκτρονίου θα είναι ίση με την ενέργεια του φωτονίου hf που εκπέμπεται. Δηλαδή: hf =Kα-Κτ. Το ηλεκτρόνιο μπορεί να χάσει όλη ή μέρος της ενέργειάς του σε μία ή περισσότερες κρούσεις. Άρα τα φωτόνια που εκπέμπονται θα έχουν οποιαδήποτε τιμή ενέργειας, που θα είναι μικρότερη ή ίση της αρχικής ενέργειας του ηλεκτρονίου. Επομένως το φάσμα της ακτινοβολίας αυτής θα είναι συνεχές.

Πηγές ακτίνων Χ στο διάστημα Με τη διαδικασία Bremsstrahlung στο Διάστημα υπάρχουν πολλές πηγές ακτίνων Χ, που παράγονται όταν ιονισμένο αέριο επιταχύνεται. Αριστερά: Ο Ήλιος στις ακτίνες Χ Κέντρο: Η Σούπερ νόβα SN1987Α στις ακτίνες X Δεξιά: Ο γαλαξίας Α του Κενταύρου στις ακτίνες X (πάνω) και στο ορατό (κάτω).

Το μικρότερο μήκος κύματος λmin του συνεχούς φάσματος Θέτοντας Κτ=0 στη σχέση hf =Kα-Κτ, παίρνουμε : hf = Kα (1) Η κινητική ενέργεια Kα του ηλεκτρονίου είναι ίση με την ενέργεια eV που αποκτά μέσω της τάσης V που το επιταχύνει. Αντικαθιστώντας Kα = eV στην (1), παίρνουμε: hf = eV και επειδή c = λf  f = c/λmin, έχουμε hc/λmin = eV, οπότε

Το ελάχιστο μήκος κύματος λmin εξαρτάται μόνο από την τάση V μεταξύ ανόδου και καθόδου και όχι από το υλικό της ανόδου. Το λmin είναι αντιστρόφως ανάλογο της V.

Απορρόφηση των ακτίνων Χ Όταν οι ακτίνες Χ προσπίπτουν σε ένα υλικό, τότε ένα μέρος της ακτινοβολίας απορροφάται από το υλικό. Η απορρόφηση των ακτίνων Χ εξαρτάται από: α. τη φύση του υλικού, β. το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και. γ. το πάχος του υλικού.

Στις ακτινογραφίες του ανθρώπινου σώματος α. Όσο μεγαλύτερος είναι ο ατομικός αριθμός Ζ των ατόμων του υλικού στο οποίο προσπίπτει η ακτινοβολία, τόσο μεγαλύτερη είναι η απορρόφηση της ακτινοβολίας. Στις ακτινογραφίες του ανθρώπινου σώματος τα οστά, που αποτελούνται από άτομα μεγαλύτερου ατομικού αριθμού (π.χ. Ca, P), απορροφούν περισσότερη ακτινοβολία και φαίνονται πιο φωτισμένα. ενώ οι ιστοί, που αποτελούνται από άτομα μικρότερου ατομικού αριθμού (π.χ. Η, Ο, C, N), απορροφούν πολύ λιγότερη και φαίνονται μαυρισμένα. Θυμηθείτε: Οι ακτίνες Χ μαυρίζουν το φωτογραφικό φιλμ

β. Όταν οι ακτίνες Χ διαπερνούν μια πλάκα με ορισμένο πάχος, τότε η απορρόφηση των ακτίνων αυξάνεται όσο αυξάνεται το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Οι ακτίνες Χ που έχουν: μικρά μήκη κύματος ονομάζονται σκληρές ακτίνες και είναι περισσότερο διεισδυτικές (μικρότερη απορρόφηση), μεγάλα μήκη κύματος ονομάζονται μαλακές ακτίνες και είναι λιγότερο διεισδυτικές (μεγαλύτερη απορρόφηση). γ. Όσο το πάχος του υλικού είναι μεγαλύτερο τόσο μεγαλύτερη είναι και η απορρόφηση της ακτινοβολίας μέσα στο υλικό αυτό.

Χρήσεις των ακτίνων Χ Στην ιατρική Στη βιομηχανία Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται: Στην ιατρική Στη βιομηχανία Στην επιστημονική έρευνα

Στην Ιατρική

Στην Ιατρική Ακτινογραφία – Ακτινοσκόπηση Η απορρόφηση των ακτίνων Χ εξαρτάται από τον ατομικό αριθμό των χημικών στοιχείων του υλικού που τις απορροφά. Στην ιδιότητα αυτή στηρίζεται η χρήση των ακτίνων Χ στη διάγνωση παθήσεων. Στην ακτινογραφία οι ακτίνες Χ διαπερνούν το σώμα ενός ασθενή, πίσω απ’ το οποίο υπάρχει φωτογραφικό φιλμ. Στο φιλμ καταγράφονται οι σκιές των τμημάτων του σώματος.

Αξονική τομογραφία (Computed Axial Tomography C.A.T.) Είναι η πιο εξελιγμένη διαγνωστική μέθοδος. Η πηγή των ακτίνων Χ παράγει δέσμη, που έχει μορφή βεντάλιας. Οι ακτίνες της δέσμης διαπερνούν το ανθρώπινο σώμα και κατά την έξοδό τους ανιχνεύονται από ανιχνευτές. Ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής επεξεργάζεται τα δεδομένα των ανιχνευτών. Πλεονεκτεί της ακτινογραφίας γιατί είναι πιο αναλυτική. Μειονέκτημα: Μεγάλη δόση ακτινοβολίας, μεγάλο κόστος.

Αξονικές τομογραφίες και συσκευή λήψης.

Στη βιομηχανία Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται για να διαπιστωθεί η ύπαρξη ελαττωμάτων στο εσωτερικό μεταλλικών κατασκευών. Η διαδικασία είναι η ίδια με εκείνη της ακτινοδιαγνωστικής. Στα αεροδρόμια

Βιολογικές βλάβες που προκαλούν οι ακτίνες Χ Οι ακτίνες Χ προκαλούν βλάβες στους οργανισμούς. Όταν απορροφώνται από τους ιστούς μπορεί να αλλοιώσουν τη μοριακή δομή των πρωτεϊνών και ειδικά του DNA. Τα αποτελέσματα μπορεί να είναι: μεταβολές στα γενετικά κύτταρα, στείρωση, καρκίνος, ακόμα και θάνατος. Τα αποτελέσματα εξαρτώνται από τη δόση της ακτινοβολίας. Στη χρήση των ακτίνων Χ πρέπει να λαμβάνεται υπόψη το όφελος σε σχέση με το κόστος.

Τι μάθαμε Όταν ηλεκτρόνια μεγάλης ταχύτητας, που έχουν επιταχυνθεί από υψηλή τάση, προσπίπτουν σε μεταλλικό στόχο, τότε παράγονται από αυτόν ακτίνες Χ. Οι ακτίνες Χ είναι αόρατη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με πολύ μικρότερο μήκος κύματος από του ορατού φωτός. Το φάσμα της ακτινοβολίας Χ είναι σύνθετο: ένα συνεχές και ένα γραμμικό. Γραμμικό φάσμα δίνει η διαδικασία παραγωγής φωτονίου μετά από διέγερση λόγω κρούσης και είναι χαρακτηριστικό του μετάλλου της ανόδου.

Τι μάθαμε Το συνεχές φάσμα παράγεται κατά την επιβράδυνση των ηλεκτρονίων από το υλικό της ανόδου, οπότε εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το μικρότερο μήκος κύματος λmin του συνεχούς φάσματος των ακτίνων Χ εκπέμπεται, όταν το ηλεκτρόνιο δίνει όλη την κινητική του ενέργεια σε ένα φωτόνιο σε μία μόνο κρούση. Το μικρότερο μήκος κύματος δίνεται από τη σχέση: Οι ακτίνες Χ προκαλούν βιολογικές βλάβες.