Co to są promienie X?

Promienie rentgenowskie to rodzaje promieniowania elektromagnetycznego prawdopodobnie najbardziej znane ze swojej zdolności widzenia przez skórę osoby i ujawniania obrazów kości znajdujących się pod nią. Postępy w technologii doprowadziły do ​​silniejszych i bardziej skupionych wiązek promieni rentgenowskich, a także do coraz szerszych zastosowań tych fal świetlnych, od obrazowania małoletnich komórek biologicznych i elementów strukturalnych materiałów, takich jak cement, po zabijanie komórek rakowych.  

Promienie rentgenowskie są z grubsza klasyfikowane jako miękkie promienie rentgenowskie i twarde promienie rentgenowskie. Miękkie promienie rentgenowskie mają stosunkowo krótkie fale o długości około 10 nanometrów (nanometr to jedna miliardowa część metra), a więc mieszczą się w zakresie widma elektromagnetycznego (EM) między światłem ultrafioletowym (UV) a promieniami gamma. Twarde promienie rentgenowskie mają długość fali około 100 pikometrów (pikometr to jedna trylionowa metra). Te fale elektromagnetyczne zajmują ten sam obszar widma EM co promienie gamma. Jedyną różnicą między nimi jest ich źródło: promieniowanie rentgenowskie jest wytwarzane przez przyspieszające elektrony, podczas gdy promienie gamma są wytwarzane przez jądra atomowe w jednej z czterech reakcji jądrowych. 

Historia promieni rentgenowskich

Promienie rentgenowskie odkrył w 1895 roku profesor Wilhelm Conrad Röentgen z Uniwersytetu w Würzburgu w Niemczech. Według „Historii radiografii” Centrum Zasobów Nieniszczących, Röentgen zauważył kryształy w pobliżu wysokonapięciowej lampy katodowej świecącej fluorescencyjną poświatą, nawet gdy ekranował je ciemnym papierem. Pewna forma energii była wytwarzana przez rurkę, która przenikała papier i powodowała świecenie kryształów. Röentgen nazwał nieznaną energię „promieniowaniem X”. Eksperymenty wykazały, że promieniowanie to może przenikać do tkanek miękkich, ale nie do kości, i wytwarzać cienie na płytach fotograficznych. 

Za to odkrycie Röentgen otrzymał pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1901 roku.

Źródła i efekty promieniowania rentgenowskiego

Według Kelly Gaffney, dyrektora Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, na Ziemi promieniowanie rentgenowskie można wytwarzać, wysyłając wysokoenergetyczną wiązkę elektronów rozbijających się na atom taki jak miedź lub gal. Kiedy wiązka uderza w atom, elektrony w powłoce wewnętrznej, zwanej powłoką typu s, są przepychane, a czasem wyrzucane z orbity. Bez tego elektronu lub elektronów atom staje się niestabilny, a więc atom „rozluźnia się” lub powraca do stanu równowagi, powiedział Gaffney, elektron w tak zwanej powłoce 1p wpada, aby wypełnić lukę. Wynik? Zostaje zwolnione zdjęcie rentgenowskie.

„Problem z tym polega na tym, że fluorescencja [lub emitowane światło rentgenowskie] rozchodzi się we wszystkich kierunkach” - powiedział Gaffney. „Nie są kierunkowe i nie można ich ogniskować. Nie jest to łatwy sposób na wytworzenie wysokoenergetycznego, jasnego źródła promieniowania rentgenowskiego”.

Wejdź do synchrotronu, rodzaju akceleratora cząstek, który przyspiesza naładowane cząstki, takie jak elektrony, wewnątrz zamkniętej, kołowej ścieżki. Podstawy fizyki sugerują, że za każdym razem, gdy przyspieszasz naładowaną cząstkę, wydziela ona światło. Rodzaj światła zależy od energii elektronów (lub innych naładowanych cząstek) i pola magnetycznego, które popycha je po okręgu, powiedział Gaffney..

Ponieważ elektrony synchrotronowe są zbliżane do prędkości światła, wydzielają ogromne ilości energii, zwłaszcza energii promieniowania rentgenowskiego. I to nie byle jakie promienie X, ale bardzo silna wiązka skupionego promieniowania rentgenowskiego.

Według European Synchrotron Radiation Facility po raz pierwszy zaobserwowano promieniowanie synchrotronowe w General Electric w Stanach Zjednoczonych w 1947 roku. Promieniowanie to uznano za uciążliwe, ponieważ powodowało utratę energii przez cząstki, ale później zostało rozpoznane w latach 60. XX wieku jako światło o wyjątkowych właściwościach, które przezwyciężyło wady lamp rentgenowskich. Jedną z interesujących cech promieniowania synchrotronowego jest to, że jest spolaryzowane; to znaczy, wszystkie pola elektryczne i magnetyczne fotonów oscylują w tym samym kierunku, który może być liniowy lub kołowy. 

„Ponieważ elektrony są relatywistyczne [lub poruszają się z prędkością bliską prędkości światła], kiedy emitują światło, skupia się ono w kierunku do przodu” - powiedział Gaffney. „Oznacza to, że promieniowanie rentgenowskie ma nie tylko właściwy kolor i nie tylko dużo, ponieważ zgromadzonych jest wiele elektronów, ale są one również preferencyjnie emitowane w kierunku do przodu”.

Obrazowanie rentgenowskie

Ze względu na ich zdolność do penetracji niektórych materiałów, promienie rentgenowskie są wykorzystywane do kilku nieniszczących zastosowań związanych z oceną i testowaniem, w szczególności do identyfikacji wad lub pęknięć w elementach konstrukcyjnych. Według Centrum Zasobów NDT „Promieniowanie jest kierowane przez część i na [a] błonę lub inny detektor. Powstały wykres cieni pokazuje cechy wewnętrzne” oraz to, czy część jest dźwiękiem. Jest to ta sama technika, której używa się w gabinetach lekarskich i dentystów do tworzenia zdjęć rentgenowskich odpowiednio kości i zębów. [Zdjęcia: Oszałamiające prześwietlenie ryb]

Zdjęcia rentgenowskie są również niezbędne do kontroli bezpieczeństwa transportu ładunku, bagażu i pasażerów. Elektroniczne detektory obrazowe pozwalają na wizualizację w czasie rzeczywistym zawartości paczek i innych przedmiotów pasażerskich. 

Pierwotnie promieniowanie rentgenowskie służyło do obrazowania kości, które można było łatwo odróżnić od tkanek miękkich na dostępnej wówczas kliszy. Jednak dokładniejsze systemy ogniskowania i bardziej czułe metody wykrywania, takie jak ulepszone błony fotograficzne i elektroniczne czujniki obrazowania, umożliwiły rozróżnienie coraz drobniejszych szczegółów i subtelnych różnic w gęstości tkanki przy użyciu znacznie niższych poziomów ekspozycji..

Dodatkowo tomografia komputerowa (CT) łączy wiele obrazów rentgenowskich w trójwymiarowy model obszaru zainteresowania.

Podobnie jak CT, tomografia synchrotronowa może ujawniać trójwymiarowe obrazy struktur wewnętrznych obiektów, takich jak komponenty inżynieryjne, zgodnie z Centrum Materiałów i Energii im. Helmholtza.

Terapia rentgenowska

Radioterapia wykorzystuje promieniowanie o wysokiej energii do zabijania komórek rakowych poprzez uszkodzenie ich DNA. Ponieważ leczenie może również uszkodzić normalne komórki, National Cancer Institute zaleca staranne zaplanowanie leczenia, aby zminimalizować skutki uboczne. 

Według amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska tak zwane promieniowanie jonizujące promieni rentgenowskich powoduje zniszczenie skupionego obszaru z wystarczającą energią, aby całkowicie oderwać elektrony od atomów i cząsteczek, zmieniając w ten sposób ich właściwości. W wystarczających dawkach może to uszkodzić lub zniszczyć komórki. Chociaż to uszkodzenie komórek może powodować raka, można je również wykorzystać do walki z nim. Kierując promienie rentgenowskie na guzy nowotworowe, może zniszczyć te nieprawidłowe komórki. 

Astronomia rentgenowska

Według Roberta Pattersona, profesora astronomii na Uniwersytecie Stanowym Missouri, niebiańskie źródła promieniowania rentgenowskiego obejmują bliskie układy podwójne zawierające czarne dziury lub gwiazdy neutronowe. W tych układach bardziej masywna i zwarta pozostałość gwiezdna może oderwać materię od swojej gwiazdy towarzyszącej, tworząc dysk niezwykle gorącego gazu emitującego promieniowanie rentgenowskie, gdy spiralnie unosi się do wewnątrz. Dodatkowo supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk spiralnych mogą emitować promienie rentgenowskie, ponieważ pochłaniają gwiazdy i obłoki gazu, które znajdują się w ich zasięgu grawitacyjnym. 

Teleskopy rentgenowskie wykorzystują odbicia pod niskim kątem, aby skupić te wysokoenergetyczne fotony (światło), które w przeciwnym razie przechodziłyby przez normalne lustra teleskopu. Ponieważ atmosfera ziemska blokuje większość promieni rentgenowskich, obserwacje są zwykle prowadzone przy użyciu balonów na dużych wysokościach lub orbitujących teleskopów. 

Dodatkowe zasoby

• Aby dowiedzieć się więcej, pobierz ten plik PDF z SLAC zatytułowany „Wczesna historia promieni rentgenowskich”.
• Centrum zasobów NDE / NDT zawiera informacje na temat nieniszczącej oceny / nieniszczących testów. 
• Strona misji NASA dotycząca widma elektromagnetycznego wyjaśnia, w jaki sposób astronomowie używają promieni rentgenowskich.

Ta strona została zaktualizowana 5 października 2018 r. Przez redaktora naczelnego, Jeanna Bryner.