Charakterystyka promieni X

Promieniowanie rentgenowskie zostało odkryte w 1895 roku przez niemieckiego uczonego Wilhelma Konrada Roentgena.

Promienie X to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali z zakresu od m do m. Ze względu na tak małe rozmiary długości fal promienie X opisuje się przeważnie jako energię niesioną przez nośniki czyli fotony. Zawiera się ona w przedziale od do elektronowoltów [eV].

Czasami promieniowanie rentgenowskie o mniejszej energii nazywa się promieniowaniem miękkim, a to o większej energii promieniowaniem twardym.

Promieniowanie X powstaje wtedy gdy z atomu z poziomu o niskiej energii zostaje wybity elektron. Wtedy może nastąpić zapełnienie tej luki przez elektron o wyższej energii. Takiemu przejściu towarzyszy emisja promieni X.

Promieniowanie rentgenowskie przy przejściu przez dany ośrodek powoduje:

- jonizację ośrodka - kwant promieniowania dostając się do ośrodka wybija elektron z cząsteczki i na skutek tego przekształca się w jon dodatni. Powstały fotoelektron ma tak dużą energię, że może dalej jonizować cząstki ośrodka na swojej drodze.

- fluorescencję niektórych substancji

- zaczernienie kliszy fotograficznej

Ponadto promienie X charakteryzują się dużą przenikliwością.

Trudne początki

Pierwszy prototyp lampy elektropromieniowej powstał w pierwszej połowie XIX wieku. Wtedy to właśnie Michael Faraday zauważył, że jeśli przyłączy się do baterii dwie elektrody: anodę i katodę umieszczone w szklanej bańce pozbawionej powietrza to obszar wokół katody zaczyna świecić. Nie potrafił jednak wyjaśnić co dokładnie jest odpowiedzialne za świecenie katody.

Liczne wersje lampy elektropromieniowej skonstruował w późniejszym okresie brytyjski uczony William Crookes. Nad naturą odkrytego zjawiska pracował również Eugen Goldstein, fizyk pochodzący z Niemiec. Według niego źródłem promieniowania o nieznanej naturze była katoda. Pogląd ten rozpowszechnił się pod koniec XIX wieku. Uczeni byli świadomi tego, że w lampie takiej katoda emituje coś, co następnie przemieszcza się do anody zlokalizowanej naprzeciwko. Badano różne położenia katody względem anody i odkryto, że jeśli anodę umieści się w innym położeniu niż naprzeciw katody to emitowane cząstki nie dotrą do anody lecz trafią w ścianki naczynia szklanego czyli w obudowę lampy.

Inne doświadczenia polegały na umieszczaniu wewnątrz lampy przed katodą rozmaitych przedmiotów. Uzyskiwano wtedy cień tych przedmiotów na ściankach obudowy. Wyniki obu tych doświadczeń dostarczyły dowody na to, że to katoda emituje jakiś rodzaj promieniowania. Został on nazwany promieniowaniem katodowym. Pierwsze prace dotyczące natury tego promieniowania opublikował Crookes. Według niego było to promieniowanie korpuskularne.

Jednak części uczonych to nie przekonało, sądzili bowiem, że skoro możliwe jest odchylanie tego strumienia za pomocą magnesu to musi ono mieć coś wspólnego ze zjawiskiem elektryczności.

Obecnie wiadomo, że promienie katodowe to nic innego jak strumień elektronów.

Później okazało się, że promieniowanie katodowe może wydostawać się z lampy przez okienko pokryte metalową folią. Może ono wywoływać zjawisko fluorescencji niektórych obiektów umieszczonych w niedużej odległości od okienka. Dało to dowód na możliwość przenikania przez to promieniowanie powietrza. Jednak droga takiego promieniowania to tylko około 3 centymetry. Dzieje się tak na skutek pochłaniania promieni przez cząsteczki powietrza.

Promieniami katodowymi zainteresował się również Rontgen. Zapragnął on zbadać czy promienie katodowe przenikają również przez szklane ścianki obudowy lampy elektronopromieniowej.

Historyczne odkrycie Roentgena.

Swoje badania uczony rozpoczął w 1895 roku. Pierwszy etap polegał na okryciu ścianek lampy czarnym kartonem. W jednym miejscu Roentgen wyciął mały fragment kartonu, a za ścianką lampy umieścił ekran fluorescencyjny. Założył, że jeśli strumień promieniowania katodowego przeniknie przez ścianki lampy to spowoduje to fluorescencyjne świecenie ekranu.

Okazało się jednak, że żadna widoczna fluorescencja nie nastąpiła. Pod tym względem eksperyment zakończył się fiaskiem. Jednak uczony zaobserwował coś, co spowodowało odkrycie słynnych promieni X.

Swój eksperyment Rontgen przeprowadzał w ciemności. Po włączeniu zasilania lampy uczony spostrzegł zielonkawą poświatę od przedmiotu znajdującego się w odległości około metra od lampy. Doszedł do wniosku, że jest to zbyt duża odległość, aby mogły tam dotrzeć promienie katodowe.

Czynności te przeprowadzał kilkakrotnie i za każdym razem dostawał ten sam rezultat, czyli zielonkawą poświatę.

Źródłem tej poświaty był ekran fluorescencyjny. Poświata stanowiła dowód, że oprócz promieniowania katodowego z lampy może wydostać się coś jeszcze, co może przemieszczać się w powietrzu na dużo większe odległości niż promieniowanie katodowe.

Od tego czasu badania nad nowym promieniowaniem pochłonęły uczonego całkowicie. Miał on świadomość, że odkrył nowy typ promieniowania. Udowodnił również, że jest ono wyjątkowo przenikliwe.

Ze względu na niezbadaną naturę nadał temu promieniowaniu nazwę " promieni X". Do tej pory wyrażenie to jest synonimem określenia" promieniowanie rentgenowskie".

Kolejne badania Rontgena dotyczyły przenikalności promieniowania X. Ustalił, że promienie te przenikają przez papier, drewno, gumę i inne substancje. Dla tego promieniowania nieprzenikliwy jest ołów.

W dalszych pracach Rontgen odkrył możliwość zastosowania tego promieniowania. Mianowicie stwierdził, że trzymając dłoń między lampą a ekranem fluorescencyjnym na ekranie otrzymuje się obraz ręki, w którym ciemniejsze obszary stanowią obraz kości.

Uczony udowodnił również, że promienie X powodują zaciemnienie kliszy fotograficznej oraz, że za ich pomocą można np. otrzymać obraz metalowych przedmiotów zamkniętych w innych wykonanych z drewna.

Gdy odkrycia Rontgena trafiły do wiadomości opinii publicznej spotkały się raczej z dużymi obawami. Przede wszystkim obawiano się, że promieniowanie to może przenikać mury domów, przez co możliwe stanie się naruszanie prywatności osób bez ich wiedzy.

Jednak wszystkie wątpliwości powoli rozwiewały się w miarę odkrywania nowych zastosowań promieniowania.

Już kilka miesięcy po odkryciu zaczęły one być wykorzystywane do diagnostyki złamań kości czy ciał obcych w przewodzie pokarmowym.

Obecnie żaden szpital nie mógłby funkcjonować bez sprawnej pracowni rentgenowskiej. Promienie rentgenowskie wykorzystywane są również do terapii nowotworów.

Poza medycyną promieniowanie to wykorzystuje się również w przemyśle. Jest przydatne np. do wykrywania defektów w różnorakich urządzeniach i budowlach.

Lampa rentgenowska

Lampa rentgenowska ma postać szklanej bańki, w środku której panuje próżnia. Średnica takiej bańki waha się od kilku do kilkunastu centymetrów. Podstawowe elementy składowe lampy stanowią anoda i katoda, znajdujące się naprzeciwko siebie.

Obie elektrody wykonane są z wolframu. Katoda ma postać drucika lub spirali . Umieszczona jest w bańce ogniskującej. Natomiast anoda przypomina budową tarczę i umieszczona jest na powierzchni walca wykonanego z miedzi, wewnątrz którego krąży ciecz chłodząca. Obie elektrody różnią się potencjałem. Na bańce ogniskującej występuje potencjał ujemny. Prąd, który płynie w katodzie powoduje duży wzrost jej temperatury. Wtedy z powierzchni rozżarzonej katody emitowana jest wiązka elektronów. Zachodzi tzw. zjawisko termoemisji. Ten strumień elektronów kierowany jest do anody, która nachylona jest do kierunku padania wiązki pod kątem 45-60 stopni. Strumień elektronów pada na część anody zwaną ogniskiem rzeczywistym. Elektron gdy dotrze do anody wytraca swoja energię kinetyczną na skutek zderzeń z atomami tej elektrody. Dopiero w następnej kolejności zachodzi efekt hamowania elektronów.

Takie gwałtowne zahamowanie elektronów o dużych energiach jest przyczyną emisji promieniowania charakterystycznego zwanego właśnie promieniowaniem rentgenowskim.

Lampy rentgenowskie wykorzystuje się w aparatach rentgenowskich. Oprócz takiej lampy w skład aparatu wchodzą: transformatory wysokiego napięcia, układy sterownicze, prostownik oraz ekran, za pomocą którego możliwa jest transformacja promieni X na promienie widzialne.

Każdy aparat rentgenowski musi mieć specjalne zabezpieczenia przed ewentualną niezamierzoną emisją promieniowania. W tym celu stosuje się obudowy wykonane z ołowiu, w których następuje absorpcja promieniowania.

Aparaty rentgenowski znalazły szerokie zastosowanie w medycynie, do celów diagnostycznych.