Warto przeczytać

Promieniowanie, nazywane obecnie promieniowaniem rentgenowskim, zostało odkryte przez niemieckiego fizyka Wilhelma Conrada Roentgena w 1895 roku. Odkrycie to i dalsze badania zmieniło nasz obraz świata. Przyczyniło się do rozwoju medycyny, mineralogii, inżynierii materiałowej i astrofizyki.

Promieniowanie rentgenowskie jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego, ma więc taką samą naturę jak światło widzialne. Różni się jednak od światła znacznie większą energią fotonu i mniejszą długością fali.

Wiele zastosowań promieniowania rentgenowskiego wykorzystuje jego szczególną właściwość – 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).

W medycynie odkrycie promieniowania rentgenowskiego zrewolucjonizowało diagnostykę. Po raz pierwszy lekarz mógł obejrzeć wewnętrzną strukturę ludzkiego ciała bez jego uszkodzenia. Zdjęcie rentgenowskie wykonuje się naświetlając wybrany fragment ciała wiązką promieni, które następnie zaczerniają kliszę fotograficzną. 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.

Trzeba jednak pamiętać, że wprawdzie promieniowanie rentgenowskie jest doskonałym narzędziem diagnostycznym, ale może być także, w przypadku przedawkowania, niebezpieczne dla zdrowia. Wynika to z faktu, że promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem jonizującym. Fotony promieniowania mogą odrywać elektrony od atomów, które poruszając się w materii, jonizują kolejne atomy. Z tego powodu promieniowanie rentgenowskie jest szkodliwe – jonizacja niszczy bowiem komórki i tkanki organizmów. Czy należy się więc obawiać badań przy pomocy promieni rentgenowskich? Jeśli badanie zlecił nam lekarz, możemy być pewni, że jest to bezpieczne. Obecnie produkuje się coraz bezpieczniejszą aparaturę do prześwietleń, potrzebującą coraz mniejszej dawki promieniowania. Na przykład, podczas prześwietlenia klatki piersiowej otrzymujemy dawkę promieniowania odpowiadającą 1/120 rocznej dawki otrzymywanej ze źródeł naturalnych. To tyle, ile otrzymujemy podczas trzech dni przebywania na dworze.

W ostatnich czasach rozwinęła się dokładniejsza metoda badań diagnostycznych przy pomocy promieni rentgenowskich – tomografia komputerowa. Pozwala ona zobaczyć w przekrojach wnętrze badanego ciała człowieka.

Uproszczony schemat tomografu pokazano na Rys. 1. Wokół pacjenta znajduje się układ wielu detektorów promieniowania rentgenowskiego, ułożonych w kształcie pierścienia. Liczba detektorów może sięgać kilku tysięcy.

RXCuMu0YcxN5S

Rys. 1. Duży, szeroki pierścień opisany jest jako nieruchomy pierścień detektorów. Po wewnętrznej stronie pierścienia przerywaną linią narysowano okrąg, który jest torem ruchu lampy. Na torze znajduje się lampa, przedstawiona w kształcie prostokąta ze strzałką wskazującą ruch w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Z lampy wychodzi w kierunku środka pierścienia rozszerzająca się wiązka promieniowania, która trafia w koło w środku pierścienia. Koło to pokazuje położenie pacjenta.

Wewnątrz nieruchomego układu detektorów porusza się po okręgu lampa emitująca promieniowanie rentgenowskie, które rejestrowane jest przez detektory umieszczone po przeciwnej stronie. Promieniowanie, pochłaniane przez narządy wewnętrzne pacjenta, tworzy wiele obrazów widocznych pod kolejnymi kątami. Zarejestrowana seria obrazów rentgenowskich opracowywana jest z pomocą programu komputerowego, który wykonuje rekonstrukcję przestrzenną elementów pochłaniających promieniowanie, czyli narządów wewnętrznych pacjenta. Na Rys. 2. pokazano wygląd tomografu oraz przykładowy obraz zrekonstruowany tomografem komputerowym.

RhB9V7RvblBI6

Rys. 2a. Ilustracja przedstawia zdjęcie tomografu komputerowego. Jest to szeroki pierścień, w który może wsuwać się leżanka dla pacjenta.
Rys. 2b. Ilustracja składa się z wielu zdjęć z tomografu, pokazujących wnętrze ludzkiego ciała.

W medycynie promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się także w terapii antynowotworowej. Promieniowanie jonizujące skuteczniej niszczy komórki nowotworowe, aniżeli komórki prawidłowe. Po serii naświetleń, guz nowotworowy zmniejsza się i zanika. Oczywiście terapia promieniowaniem rentgenowskim wymaga dokładnego zlokalizowania guza i zaplanowania dawek naświetleń. W tym celu pomocna jest tomografia komputerowa (Rys. 2 b).

Przenikliwość promieniowania rentgenowskiego wykorzystywana jest nie tylko w medycynie. Lotniska są wyposażone w aparaturę rentgenowską służącą do prześwietlania bagażu. Ruchoma taśma przesuwa bagaże przed źródłem promieni rentgenowskich. Po prześwietleniu walizki promienie rentgenowskie trafiają do detektorów. Na ekranie komputera wyświetla się obraz zawartości walizki, który obserwują pracownicy lotniska (Rys. 3.). Mogą zapobiec wniesieniu na pokład samolotu niebezpiecznych przedmiotów.

R1TpvCYMWfdgk

Rys. 3a. Zdjęcie przedstawia ruchomą taśmę, na której podróżni kładą swoje bagaże. Pracownik ogląda na ekranie komputera widok bagaży prześwietlonych promieniowaniem rentgenowskim.
Rys. 3b. Na obrazie zawartości plecaka w promieniach rentgenowskich wyraźnie widoczny jest metalowy stelaż plecaka oraz metalowe przedmioty wewnątrz. Reszta plecaka widoczna jest jako delikatna mgiełka.

Promieniowanie rentgenowskie znalazło zastosowanie w defektoskopii. Defektoskopia rentgenowska polega na nieniszczących badaniach metali, które mają na celu wykrycie wewnętrznych wad materiału takich, jak pęknięcia czy pęcherze. Na przykład, promieniowanie stosuje się do kontroli spawania rur używanych do budowy konstrukcji stalowych, gdzie istotna jest wytrzymałość. Prześwietlenie pozwala sprawdzić, czy rura jest szczelna i jednorodna. Badaną rurę owija się kliszą fotograficzną, a w środku umieszcza się źródło promieniowania rentgenowskiego. Jeśli na kliszy pojawi się ciemniejszy odcień, to oznacza, że dane miejsce jest cieńsze, może wystąpić tam nieszczelność. Na podobnej zasadzie bada się łączenia w konstrukcjach budowlanych, zwłaszcza w mostach, gdzie występują obciążenia dynamiczne.

Promieniowanie Roentgena znajduje zastosowanie w badaniach naukowych w zakresie chemii i krystalografii. Metoda ta opiera się na rejestracji obrazów dyfrakcyjnychDyfrakcjadyfrakcyjnych promieni rentgenowskich przechodzących przez kryształ. Umożliwia wyznaczenie pozycji i odległości cząsteczek względem siebie w sieci krystalicznej, wyznaczenie położenia poszczególnych atomów, a także na ustalenie kątów i długości wiązań między atomami.

Warto też wspomnieć o metodzie określania składu chemicznego materiałów, wykorzystującej fluorescencję rentgenowską. Promieniowanie rentgenowskie powstaje w wyniku hamowania rozpędzonych elektronów w anodzie lampy rentgenowskiej. Oprócz widma ciągłego, emitowane jest także widmo liniowe, charakterystyczne dla atomów danego pierwiastka. Umieszczając badany materiał na anodzie lampy, uzyskujemy linie widmowe, które pozwalają zidentyfikować atomy, z których składa się substancja. (Więcej informacji o powstawaniu promieniowania rentgenowskiego znajdziesz w e‑materiale „W jaki sposób powstaje promieniowanie rentgenowskie”).

Promieniowanie rentgenowskie znajduje także zastosowanie w badaniu Wszechświata. Jest ono jednak pochłaniane przez atmosferę ziemską, co zresztą jest dla nas korzystne, bo atmosfera chroni nas przed jego szkodliwym wpływem. Jednak promieniowanie rentgenowskie z odległych gwiazd i innych obiektów niesie informacje o tych obiektach, nieosiągalne w inny sposób. Do czasów, gdy obserwacje astronomiczne można było prowadzić tylko z powierzchni Ziemi za pomocą światła widzialnego, którego nie zatrzymuje atmosfera, Wszechświat wydawał niezmienny i statyczny, wypełniony przez stałe w czasie gwiazdy i planety. Najjaśniejszymi obiektami były: Słońce, planety, najbliższe gwiazdy.

Rozwój techniki satelitarnej i badania kosmosu detektorami umieszczonymi na satelitach, poza atmosferą ziemską, całkowicie zburzył ten spokojny obraz. „Pojawiły” się strumienie ultraszybkich cząstek wyrzucane z jąder galaktyk, kwazaryKwazarkwazary o jasności zmiennej i większej niż jasność naszej Galaktyki, czarne dziury, na które opada materia, czemu towarzyszu promieniowanie o wielkiej energii i inne dynamiczne procesy we Wszechświecie.

Jednym z teleskopów satelitarnych jest obserwatorium rentgenowskie Chandra (Rys. 4.), wyniesione na orbitę w 1999 roku i nazwane na cześć astrofizyka hinduskiego Subrahmanyana Chandrasekhara. Satelita ten służy do badań różnych obiektów astronomicznych – od najodleglejszych galaktyk, poprzez gwiazdy, do ciał Układu Słonecznego, w zakresie promieniowania rentgenowskiego o energiach 0,09 – 10,0 keV.

R3tt3yIpHJ9JY

Rys. 4. Satelitarne obserwatorium rentgenowskie Chandra ma kształt zbliżony do walca, zwężającego się przy końcu. Po obu stronach walca przymocowane są dwa prostokąty podobne do skrzydeł. Na tych prostokątach zamocowane są ogniwa słoneczne. Obraz satelity znajduje się na tle czarnego nieba ze świecącą, barwną mgławicą.

Obserwatorium rentgenowskie Chandra dostarcza wciąż nowe, niezwykłe zdjęcia. Po prawej stronie Rys. 5. widzimy zdjęcie z 2019 roku, przedstawiające zderzenie dwóch gromad galaktyk odległych 380 milionów lat świetlnych od Ziemi, w którym nałożono obraz uzyskany w promieniowaniu rentgenowskim i świetle widzialnym. Dla porównania, po lewej stronie pokazane jest zdjęcie wykonane w świetle widzialnym. Gdybyśmy dysponowali tylko tym zdjęciem, nigdy nie dowiedzielibyśmy się o falach uderzeniowych, wywołanych zderzeniem, przebiegających przez gaz i pył międzygwiezdny, które podnoszą temperaturę i powoduję emisję promieniowania rentgenowskiego przez gorący gaz.

R7S9VqgiNePdb

Rys. 5. Po lewej stronie jest zdjęcie nocnego nieba w świetle widzialnym. Na czarnym tle widać kilka świecących na biało punktów. Po prawej stronie jest zdjęcie tego samego obszaru nieba w promieniowaniu rentgenowskim i świetle widzialnym. Oprócz tych samych świecących na biało punktów, w centralnej części znajduje się rozciągnięty pionowo obszar niebieski, a od lewej i prawej strony otaczają go obszary w kolorze czerwonym.

Innym przykładem uzyskiwania nowych informacji jest obraz Drogi Mlecznej, czyli naszej Galaktyki, sfotografowany w zakresie światła widzialnego i w promieniach rentgenowskich (Rys. 6.). Na zdjęciu rentgenowskim widać silne źródła promieniowania, niewidoczne w świetle widzialnym.

ReCZ1FOqja8ED

Rys. 6. Ilustracja przedstawia 2 poziome zdjęcia w kształcie wąskich i bardzo długich prostokątów. Na górnym zdjęciu na ciemnym tle widać białą, poziomą smugę o zmiennej jasności. Na dolnym zdjęciu na ciemnym tle widać barwne smugi w kolorach niebieskim, fioletowym i czerwonym znacznie jaśniejsze niż na górnym zdjęciu. Poza tym pojawiło się kilka bardzo jasnych, białych punktów i obszarów, będących źródłem promieniowania rentgenowskiego.

Słowniczek