To ciekawe

Każdy z nas zetknął się ze zdjęciami rentgenowskimi. Czy wiesz, czym są tajemnicze promienie pozwalające zajrzeć w głąb ciała, nie wyrządzając przy tym krzywdy? Z tego e‑materiału dowiesz się, jakie są własności promieniowania rentgenowskiego i w jaki sposób powstaje.

RW05eGdjtXZvP

Rys. a. Na zdjęciu rentgenowskim klatki piersiowej widoczne są białe zarysy kości na tle ciemnego tła. Pośrodku widoczny jest pionowy kręgosłup z wyraźnie zaznaczonymi poziomymi kręgami. Od kręgosłupa odchodzą w obie strony żebra o kształcie łagodnych łuków wygiętych w dół. Na górze zdjęcia widać zarys szerokich ramion z obojczykami.

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.

RZ5sjXClwx9K9

Rys. 1. Czarno‑białe zdjęcie przedstawia Wilhelma Rentgena. Jest to mężczyzna z wąsami i długą, kędzierzawą brodą. Włosy nad wysokim czołem ma zaczesane do tyłu. Ubrany jest według mody z przełomu dziewiętnastego i dwudziestego wieku, w surdut, kamizelkę i białą koszulę.

Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, którego prędkość w próżni jest stała i wynosi $c$ = 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 $c$ 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.

Długość fali promieniowania rentgenowskiego mieści się w zakresie od około 0,01 nmnanometr (nm)nm 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 nmnanometr (nm)nm. 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 nmnanometr (nm)nm.

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:

1. 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.

2. 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

R1EGNQsCT6m4l

Rys. 2. Na zdjęciu rentgenowskim widoczny jest zarys lewego ramienia. Z lewej strony zdjęcia widać kilka poziomych żeber. Z prawej strony jest pionowa kość ramieniowa z okrągłym zakończeniem u góry, które tkwi kulistym zagłębieniu stawu barkowego.

Słowniczek