Przeczytaj
Warto przeczytać
Promieniowanie rentgenowskie to rodzaj fal elektromagnetycznych o długościach fal większych niż promieniowanie gamma, a mniejszych niż promieniowanie ultrafioletowe.
Zostało ono odkryte przez niemieckiego fizyka Wilhelma Conrada Roentgena w 1895 roku. Promieniowanie, które odkrywca nazwał promieniami X, nazywane jest obecnie promieniowaniem rentgenowskim.
Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, którego prędkość w próżni jest stała i wynosi = 3 · 10Indeks górny 88 m/s.
Promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę: falową i korpuskularną. Oznacza to, że można je opisać jako zbiór cząstek – fotonów, poruszających się z prędkością światła oraz jako falę, którą charakteryzują parametry falowe takie, jak:
długość fali , czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę,
częstotliwość , czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz).
Długość i częstotliwość fali są wielkościami odwrotnie proporcjonalnymi:
Natomiast energia fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości fali i wynosi:
gdzie = 6,6 · 10Indeks górny -34-34 J·s jest stałą Plancka, – częstotliwością fali, – długością fali.
Długość fali promieniowania rentgenowskiego mieści się w zakresie od około 0,01 nmnm do 10 nm. W praktyce często mówi się o twardym i miękkim promieniowaniu rentgenowskim:
twarde promieniowanie rentgenowskie (wysokoenergetyczne) ma długość fali od 0,01 do 0,1 nmnm. Warto zauważyć, że promieniowanie o takim zakresie długości fal można też zaliczyć do promieniowania gamma, ale odróżniamy te dwa zakresy promieniowania na podstawie ich źródła. Promieniowanie gamma emitowane jest przez jądra atomowe, natomiast promieniowanie rentgenowskie w zderzeniach elektronów z atomami,
miękkie promieniowanie rentgenowskie (o mniejszej energii) ma długość fali od 0,1 do 10 nmnm.
Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie? Stosowane szeroko w medycynie w celach diagnostycznych promieniowanie rentgenowskie, wytwarzane jest w lampach rentgenowskich. Zasada działania lampy polega na wykorzystaniu zjawiska emisji fali elektromagnetycznej przez naładowaną cząstkę poruszającą się z przyspieszeniem. W lampie rentgenowskiej rozpędzone do wielkich energii elektrony są gwałtownie hamowane, w wyniku czego emitowane jest promieniowanie w zakresie rentgenowskim. Więcej o budowie lampy rentgenowskiej dowiesz się z e‑materiału „Budowa lampy rentgenowskiej”.
Istnieje też inny mechanizm emisji fotonów promieniowania rentgenowskiego. Jeśli wybity zostanie elektron z głębszych powłok elektronowych atomu, na wolne miejsca przeskakują elektrony z wyższych powłok, czemu towarzyszy emisja fotonów o energii dokładnie równej różnicy między energiami poziomów energetycznych atomu. Energie tak emitowanych fotonów leżą w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Jest to widmo liniowe, charakterystyczne dla atomów, z których zbudowana jest dana substancja.
Korpuskularna natura promieniowania elektromagnetycznego przejawia się tym wyraźniej, im mniejsza jest długość fali promieniowania, a większa częstotliwość i energia fotonu. Promieniowanie rentgenowskie należy do promieniowania wysokoenergetycznego, które głównie przejawia naturę korpuskularną. Świadczą o tym zjawiska, które towarzyszą przechodzeniu promieniowania rentgenowskiego przez materię:
Zjawisko fotoelektryczne polegające na pochłonięciu całej energii fotonu przez atom, w wyniku czego z atomu wybity zostaje elektron. Foton znika, a wybity elektron porusza się z dużą energią kinetyczną, unosząc prawie całą energię pochłoniętego fotonu.
Zjawisko Comptona, czyli rozpraszanie fotonu na swobodnym elektronie. Foton po zderzeniu z elektronem zmienia kierunek ruchu i oddaje część swojej energii elektronowi, który zaczyna się poruszać. Rozpraszanie fotonu na elektronie opisuje się podobnie, jak sprężyste zderzenie dwóch kulek, w którym zachowana jest energia kinetyczna i pęd.
Własności promieniowania rentgenowskiego są podobne do własności promieniowania gamma.
Promieniowanie rentgenowskie wywołuje jonizację materii – fotony promieniowania odrywają elektrony od atomów w procesie fotoelektrycznym, tworząc jony, które poruszając się w materii, jonizują kolejne atomy. Z tego powodu promieniowanie rentgenowskie jest szkodliwe dla żywych istot, jonizacja niszczy bowiem komórki i tkanki organizmów.
Promieniowanie rentgenowskie jest przenikliwe. Pochłanianie promieniowania podczas przechodzenia przez materię zależy od składu chemicznego – substancje zbudowane z atomów o dużej liczbie masowej (na przykład z ołowiu) silniej pochłaniają promieniowanie niż materiały zawierające lekkie atomy (na przykład woda). To dlatego na kliszy rentgenowskiej występują różnice w zacienieniu określonych tkanek i narządów (Rys. 2.). Tkanki miękkie, zawierające głównie wodę, są bardziej przezroczyste dla promieniowania niż kości zawierające więcej wapnia.
Promieniowanie rentgenowskie zmniejsza swoje natężenie z kwadratem odległości od źródła. Oznacza to, że 3‑krotne zwiększenie odległości powoduje 9‑krotne osłabienie wiązki promieniowania. To ważna informacja wskazująca, jak chronić się przed szkodliwym promieniowaniem. Oprócz stosowania osłon z ołowiu, można po prostu zachować odpowiednio dużą odległość od źródła promieniowania.
Promieniowanie rentgenowskie działa na emulsję fotograficzną. Ta właściwość umożliwiła wprowadzenie diagnostyki medycznej z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego zaraz po jego odkryciu na przełomie XIX i XX wieku. Pozwala na zobrazowanie i zapisanie wyniku badania.
Słowniczek
(ang. electronvolt) – jednostka energii spoza układu SI używana w fizyce mikroświata. 1 eV to energia, jaką uzyskuje elektron przyspieszany w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 wolt. 1 eV = 1,6 · 10Indeks górny -19-19 J.
(ang. nanometer) – jednostka długości: 1 nm = 10Indeks górny -9-9 m.