Warto przeczytać

Promieniowanie rentgenowskie zostało odkryte przez niemieckiego fizyka Wilhelma Conrada Roentgena w 1895 roku. Promieniowanie, które odkrywca nazwał promieniami X, nazywane jest obecnie promieniowaniem rentgenowskim, a aparat, w którym jest wytwarzane – lampą rentgenowską. Za swoje odkrycie Roentgen otrzymał pierwszą nagrodę Nobla w roku 1901.

Promieniowanie rentgenowskie należy do fal elektromagnetycznych o długościach fal z zakresu od około 0,01 nmNanometr (nm)nm do 10 nm.

Promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę: falową i korpuskularną. Oznacza to, że można je opisać jako zbiór cząstek – fotonów, poruszających się z prędkością światła $c$ - oraz jako falę, którą charakteryzują parametry falowe takie jak:

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pola elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę,

• częstotliwość $\nu$, 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 $h=6,6·{10}^{-34}J·s$ jest stałą Plancka, $\nu$ – częstotliwością fali, $\lambda$ – długością fali.

Promieniowanie rentgenowskie jest wysokoenergetycznym promieniowaniem elektromagnetycznym, większe energie ma tylko promieniowanie gamma.

O zastosowaniu promieniowania rentgenowskiego w medycynie w celach diagnostycznych zadecydowały jego własności.

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. Tkanki miękkie, zawierające głównie wodę, są bardziej przezroczyste dla promieniowania niż kości zawierające więcej wapnia.

Bardziej przenikliwe jest promieniowanie o większej energii i mniejszej długości fali.

Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie? Do wytwarzania promieniowania używa się lamp rentgenowskich. Zasada działania lampy polega na wykorzystaniu zjawiska emisji fali elektromagnetycznej przez naładowaną cząstkę poruszającą się z przyspieszeniem. Schemat budowy lampy rentgenowskiej pokazany jest na Rys. 1.

RWXKrNLLeQ8uD

Rys. 1. Lampa rentgenowska to bańka szklana, przedstawiona na ilustracji jako kula połączona z dwoma cylindrami, leżącymi naprzeciw siebie. Wewnątrz kuli znajduje się anoda, czyli metalowa płytka, nachylona w dół i w prawo, tworząca z pionem kąt 45 stopni. Na prawo od anody znajduje się katoda, czyli mniejsza metalowa płytka ustawiona pionowo. Przez cylindry przeprowadzone są przewody łączące anodę z dodatnim biegunem źródła prądu, a katodę z ujemnym biegunem źródła prądu. Katoda dodatkowo połączona jest z dodatkowym źródłem prądu, podpisanym jako „żarzenie”. Od katody wychodzą czerwone strzałki skierowane w lewo, w stronę anody, oznaczone literą e. Strzałki te symbolizują ruch elektronów od katody do anody. Z anody wychodzą niebieskie strzałki skierowane w dół i wychodzące na zewnątrz lampy. Strzałki te podpisane są jako promieniowanie rentgenowskie.

Lampę stanowi bańka szklana, z której wypompowano powietrze. Wewnątrz znajdują się dwie elektrody: katoda K i anoda A. Elektrody połączone są ze źródłem wysokiego napięcia, rzędu kilkudziesięciu tysięcy wolt lub nawet większych. Dodatni biegun połączony jest z anodą, ujemny z katodą. Katodę stanowi włókno wolframowe, które w czasie pracy lampy rozżarzone jest wskutek przepływu prądu z dodatkowego źródła żarzenia, osiągając temperaturę 1800 – 2000°C. Elektrony emitowane są z rozżarzonej katody na skutek ruchów termicznych, a następnie przyspieszane do wielkich energii w polu elektrycznym pomiędzy anodą i katodą. Rozpędzone elektrony wpadają na anodę, gdzie są hamowane w polu elektrycznym jąder atomów. Gwałtownej zmianie energii kinetycznej elektronów towarzyszy emisja fotonów promieniowania rentgenowskiego, które unoszą energię kinetyczną straconą przez elektrony. Promieniowanie to nazywamy promieniowaniem hamowania (Rys. 2.).

Energia kinetyczna uzyskiwana przez elektron przyspieszany napięciem $U$ wynosi:

Elektrony wpadające do anody tracą stopniowo energię kinetyczną w kolejnych zderzeniach z atomami, wypromieniowując fotony o rożnych energiach. Foton o maksymalnej energii emitowany jest wtedy, gdy elektron straci całą energię w jednym procesie zderzenia. Maksymalna energia fotonu wynosi więc $h\nu =eU$. Widzimy, że im większe napięcie między anodą i katodą, tym większa jest energia i przenikliwość emitowanego promieniowania.

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.

R1esHuu243ozZ

Rys. 2. Na rysunku znajduje się duże kółko podpisane jako jądro atomowe. Nad jądrem narysowano poziomy tor elektronu, który przedstawiono jako małe kółeczko. Strzałka pokazuje kierunek ruchu elektronu w prawo. W pobliżu jądra tor elektronu zagina się w dół, na skutek przyciągania elektronu przez jądro. Przy początkowym fragmencie toru zapisano literę wielkie E z indeksem dolnym 1. Przy końcowym fragmencie toru, gdzie elektron oddala się od jądra, zapisano literę wielkie E z indeksem dolnym 2. Z punktu toru, który leży najbliżej jądra, wychodzi w prawo falista linia symbolizująca foton, Nad tą linią znajduje się równanie: stała Plancka h razy częstotliwość fotonu grecka litera ni równa się wielkie E z indeksem dolnym 1 minus wielkie E z indeksem dolnym 2.

Energia hamowanych w anodzie elektronów zamienia się nie tylko na energię wyemitowanych fotonów. 99% tej energii jest zamieniana na energię wewnętrzną anody, co zwiększa jej temperaturę. Bardzo ważnym zagadnieniem jest więc chłodzenia lampy. Stosuje się chłodzenie anody wodą lub wirującą anodę.

Anoda stała wykonana jest z płytki wolframowej wtopionej w blok miedziany. Wewnątrz tego bloku przepływa woda chłodząca.

Większość współczesnych lamp rentgenowskich posiada wirującą anodę (Rys. 3.). Anoda wirująca ma postać wolframowego talerzyka, którego oś obrotu napędza silnik elektryczny. Dzięki wirowaniu anody strumień elektronów pada na coraz to inny jej punkt, co zapobiega nadmiernemu nagrzewaniu się anody. Szybkości obrotu anody wynoszą 3000 lub 10000 obrotów na minutę.

R2riAHMLjYRgB

Rys. 3. W bańce szklanej widać po lewej stronie dużą anodę w kształcie talerzyka ustawionego pionowo tak, że podstawa jest z prawej strony, a brzegi wygięte są w lewo. Talerzyk jest umieszczony na poziomej osi, obracanej przez silnik elektryczny. Katoda o niewielkich rozmiarach znajduje się na prawo od anody naprzeciwko dolnej części talerzyka, położonej blisko brzegu. Miejsce na anodzie, znajdujące się naprzeciwko katody, podpisane jest jako anoda (ognisko rzeczywiste).

Szklana obudowa lampy służy nie tylko do utrzymania próżni, ale również do odizolowania elektrod oraz zespolenia katody i anody. Zachowanie próżni umożliwia swobodny ruch emitowanych z katody elektronów. Kształt i wymiary bańki szklanej są dobierane tak, aby zapobiec wyładowaniom elektrycznym między katodą i anodą. W celu eliminacji promieniowania rentgenowskiego biegnącego w niepożądanym kierunku, zamyka się bańkę lampy w kołpaku ochronnym, wykonanym z miedzi i ołowiu. Kołpak ma okienko z aluminium lub tworzywa sztucznego, przez które przechodzi promieniowanie rentgenowskie na zewnątrz lampy.

Słowniczek