Warto przeczytać

Promieniowanie rentgenowskie to rodzaj fal elektromagnetycznych o długościach fal w zakresie 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 $c$ = 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s oraz jako falę, którą charakteryzują parametry falowe takie, jak:

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole 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 · 10Indeks górny -34^-34 J·s jest stałą Plancka, $\nu$ – częstotliwością fali, $\lambda$ – długością fali.

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.

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. Zasięg promieniowania w materii zależy również od energii fotonów. Bardziej przenikliwe jest promieniowanie o większej energii i mniejszej długości fali.

Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie? Stosowane szeroko w medycynie w celach diagnostycznych promieniowanie rentgenowskie, wytwarzane jest lampach 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.

R71gZUEnEXwuH

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 450. 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. Źródło prądu podpisane jest słowami „napięcie anodowe”. Katoda połączona jest z dodatkowym źródłem prądu, podpisanym jako „napięcie żarzenia katody”. 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. 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.).

RghWQKuhO58w6

Rys. 2. Na rysunku znajduje się duże kółko podpisane jako jądro atomowe. Nad jądrem narysowano poziomy tor elektronu, przedstawionego 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.

Elektron przyspieszany napięciem $U$ między katodą i anodą, uzyskuje energię kinetyczną:

gdzie $e$ to ładunek elektronu.

Na anodzie następuje hamowanie elektronów, w wyniku czego energia ta ulega gwałtownemu zmniejszeniu. Utracona energia wysyłana jest w postaci fotonów promieniowania rentgenowskiego.

Zgodnie z zasadą zachowania energii, suma energii fotonu i końcowej energii elektronu $E_{k}^{'}$ równa jest początkowej energii elektronu $eU$.

Drugi składnik sumy po prawej stronie, $E_{k}^{'}$, to końcowa energia elektronu po wyhamowaniu. Wartość tej energii jest w dużym stopniu przypadkowa. Oznacza to, że długości fal emitowanego promieniowania również są przypadkowe. To dlatego widmo promieniowania jest ciągłe. Energia fotonu nie może jednak przekroczyć początkowej energii elektronu $eU$. Foton o maksymalnej energii emitowany jest wtedy, gdy elektron straci całą energię w jednym procesie zderzenia. Maksymalna energia fotonu wynosi więc:

Maksymalnej energii fotonu odpowiada minimalna długość fali promieniowania, czyli krótkofalowa granica widma wynosi:

Typowe widmo promieniowania rentgenowskiego pokazuje Rys. 3. Jest to widmo ciągłe posiadające granicę od strony fal krótkich. Widoczne są także maksima, oznaczone literami K, L i M, których położenia zależne są od materiału anody.

Krótkofalowa granica widma promieniowania zależy tylko od napięcia $U$ między katodą i anodą. Widzimy, że im większe napięcie między anodą i katodą, tym większa jest energia i przenikliwość emitowanego promieniowania.

RON4A0d1ALTUm

Rys. 3. Na rysunku jest układ współrzędnych, na którego poziomej osi odłożono długość fali, a na osi pionowej natężenie promieniowania rentgenowskiego. Wykres zaczyna się w punkcie leżącym na osi poziomej, oznaczonym grecką literą lambda z indeksem dolnym min. Wykres początkowo wznosi się ukośnie w górę. Gdy wykres osiągnie wartość maksymalną natężenia, zaczyna opadać i asymptotycznie zbliża się do osi poziomej. Na opadającej części widma znajdują się 3 wąskie maksima oznaczone literami wielkie K, wielkie L i wielkie M.

Natomiast za powstanie maksimów w widmie promieniowania rentgenowskiego odpowiada inny mechanizm emisji fotonów. Rozpędzone elektrony, wpadające na anodę, mogą wybijać elektrony z głębszych powłok elektronowych atomów anody. Na wolne miejsca przeskakują elektrony z wyższych powłok, czemu towarzyszy emisja fotonów o energii dokładnie równej różnicy między energiami poziomów energetycznych atomu. Jest to widmo liniowe, charakterystyczne dla atomów, wchodzących w skład anody. Emisję tego promieniowania nazywamy fluorescencją rentgenowskąFluorescencja rentgenowskafluorescencją rentgenowską.

Nałożenie widma liniowego i widma ciągłego daje taki obraz, jaki widzimy na Rys. 3.

Słowniczek