Otrzymywanie promieni rentgenowskich

Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w praktyce (np. w lampie rentgenowskiej) poprzez wyhamowywanie rozpędzonych elektronów na materiale o dużej (powyżej 20) liczbie atomowej (promieniowanie hamowania), efektem czego jest powstanie promieniowania o charakterystyce ciągłej, na którym widoczne są również piki pochodzące od promieniowania charakterystycznego anody (rozpędzone elektrony wybijają elektrony z atomów anody). Luki po wybitych elektronach na dolnych powłokach elektronowych pozostają puste do czasu, aż zapełnią je elektrony z wyższej powłoki. Elektron przechodząc z wyższego stanu emituje kwant promieniowania rentgenowskiego - następuje emisja charakterystycznego promieniowania X. Promieniowanie X powstaje także w wyniku wychwytu elektronu, tj. gdy jądro przechwytuje elektron znajdujący się na powłoce K, w wyniku czego powstaje wolne miejsce, na które spadają elektrony z wyższych powłok i następuje emisja kwantu X. Przykładem źródła promieniowania X działającego w oparciu o wychwyt elektronu jest ⁵⁵Fe, emitujące 80% kwantów o energii ok. 5,9 keV (linia K_α) oraz 20% o energii 6,2 keV (linia K_β).

Lampa rentgenowska - sztuczne źródło promieniowania rentgenowskiego, bańka próżniowa posiadająca zatopione elektrody: anodę i katodę w postaci wolframowej spirali (w tzw. jonowej lampie rentgenowskiej bańka wypełniona jest gazem pod ciśnieniem rzędu 10^-3 Tr). Wysokie napięcie przyłożone do elektrod przyspiesza dodatnie jony (jonowa lampa rentgenowska) lub elektrony - które odrywają się z katody (elektronowa lampa rentgenowska), cząstki te bombardując elektrodę (odpowiednio: katodę - jonowa lampa rentgenowska lub anodę - elektronowa lampa rentgenowska) emitują promieniowanie hamowania, będące strumieniem kwantów promieniowania X o ciągłym widmie energetycznym. W wyniku hamowania elektronów na anodzie powstaje promieniowanie rentgenowskie. Składa się ono z:

1. promieniowania hamowania,

2. promieniowania charakterystycznego.

Promieniowanie hamowania powstaje w wyniku oddziaływania cząstki z polami elektrostatycznymi jąder i elektronów w materii, z której wykonana jest anoda. Elektrony zderzając się z anodą są w niej hamowane, co powoduje powstawanie promieniowania X. Jednak 99% energii elektronów jest zamieniane w ciepło - stąd konieczność chłodzenia lampy. Chłodzenie zapewnia ciecz chłodząca lub wirująca anoda.

Anoda stała wykonana jest z płytki wolframowej wtopionej w blok miedziany. Wewnątrz tego bloku przepływa woda chłodząca. Anoda wirująca ma postać wolframowego talerzyka, którego oś obrotu napędza silnik elektryczny. Wirnik silnika znajduje się wewnątrz bańki lampy, uzwojenie stojana na zewnątrz. Dzięki wirowaniu dyskowej anody strumień elektronów pada na coraz to inny jej punkt, co zapobiega nadmiernemu nagrzewaniu się anody. Zdarzają się przypadki awarii silnika napędzającego i wtedy w bardzo krótkim czasie dochodzi do wytopienia się anody i nieodwracalnego uszkodzenia lampy.

Schemat lampy kolizyjnej
K: żarzona katoda
A: anoda
W_in i W_out: wlot i wylot cieczy (C) chłodzącej anodę

Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania

Zgodnie z prawami fizyki klasycznej w wyniku hamowania elektronów w materiale tarczy, aż do ich całkowitego zatrzymania, następuje emisja promieniowania elektromagnetycznego o widmie ciągłym.

Jednak może się zdarzyć, że elektron uderzając w anodę nie tylko zostanie wyhamowany, ale może wybić elektron z atomu anody. Zostanie dziura, którą wypełni elektron spadający z wyższych powłok, z czym związane jest promieniowanie charakterystyczne dla danego pierwiastka. Dlatego ostatecznie wykres przedstawia widmo ciągłe promieniowania X z ostrymi pikami promieniowania charakterystycznego.

Najbardziej charakterystyczną cechą krzywych rozkładu widmowego jest istnienie dla danej wartości energii elektronów dobrze określonej minimalnej długości fali
, zwanej krótkofalową granicą promieniowania. Chociaż kształt krzywej rozkładu dla widma ciągłego promieniowania rentgenowskiego zależy nieznacznie od wyboru materiału tarczy, jak również od napięcia U przyspieszającego elektrony, to wartość
zależy jedynie od U i jest taka sama dla wszystkich materiałów, z jakich wykonane są tarcze. Tego faktu klasyczna teoria elektromagnetyzmu nie jest w stanie wyjaśnić. W świetle tej teorii nie istnieją żadne powody, aby z tarczy nie mogły być wysyłane fale o długości mniejszej od jakiejś wartości krytycznej.

Natomiast jeśli promieniowanie rentgenowskie traktujemy jako strumień fotonów, to wyjaśnienie obserwowanych faktów jest proste. Elektron o początkowej energii kinetycznej K , w wyniku oddziaływania z ciężkim jądrem atomu tarczy jest hamowany i energia, którą wówczas traci pojawia się w formie kwantów - fotonów promieniowania rentgenowskiego. Elektrony oddziałują z naładowanym jądrem atomu za pośrednictwem pola kulombowskiego. W procesie tym elektron przekazuje jądru pewien pęd. Towarzyszące temu hamowanie ruchu elektronu prowadzi do emisji fotonu. Ponieważ jądra tarczy są bardzo ciężkie, więc energię, jaką uzyskują one podczas zderzenia, można zaniedbać. Energia powstającego fotonu wyraża się wzorem

gdzie K jest energią kinetyczną elektronu przed zderzeniem, a K' po zderzeniu.

Foton o najmniejszej długości fali będzie emitowany wtedy, gdy elektron straci całą swoją energię kinetyczną w jednym procesie zderzenia hamującego jego ruch. Ponieważ K równe jest eU, czyli energii, jaką nabywa elektron w wyniku przyspieszania go za pomocą różnicy potencjałów U przyłożonej w lampie rentgenowskiej, więc zachodzi relacja

czyli

Tak więc minimalna długość fali występująca w widmie ciągłym, czyli krótkofalowa granica widma, odpowiada zamianie całej energii kinetycznej elektronów na promieniowanie rentgenowskie.

Promieniowanie rentgenowskie o widmie ciągłym nazywane jest promieniowaniem hamowania. Powstaje ono nie tylko w lampach rentgenowskich, lecz zawsze wtedy, gdy szybkie elektrony zderzają się z materią.

Prawo Moseley'a

W lampie rentgenowskiej atom wiązki padającej może wybić elektron z podpowłoki, czymspowoduje wysokie wzbudzenie atomu (ubył jeden z elektronów o bardzo dużej energii wiązania). Atom ostatecznie powróci do stanu podstawowego, emitując serię fotonów wysokoenergetycznych. W ten sposób powstaje liniowe widmo rentgenowskie atomów anody. Całkowite widmo promieniowania emitowanego przez lampę rentgenowską składa się z dyskretnego widma liniowego, nałożonego na widmo ciągłe. Widmo ciągłe powstaje w wyniku procesów hamowania, gdy elektrony z wiązki doznają przyspieszeń i opóźnień w trakcie rozpraszania na jądrach atomów anody. Natomiast kształt widma liniowego jest charakterystyczny dla atomów konkretnego pierwiastka anody.

Do opisu powstawania liniowych widm rentgenowskich bardzo przydatne jest pojęcie dziury tworzącej się w jednym z poziomów o wyższej energii jonizacji i przeskakującej przez kolejne poziomy o niższej energii. W każdym przeskoku emitowany jest foton rentgenowski, o częstotliwości
, unoszący nadmiar energii
. Nie zachodzą jednak wszystkie możliwe do pomyślenia przejścia. Reguły wyboru dla liczb kwantowych dziury są następujące:

Są one takie same jak reguły wyboru dla elektronu w atomie jednoelektronowym. Całe emitowane w takich przejściach promieniowanie rentgenowskie daje liniowe widmo rentgenowskie atomu. Po wybiciu elektronu z powłoki K powstaje po nim dziura, która może być zapełniona przez elektron z wyższej powłoki (dziura wędruje na kolejne powłoki). Wszystkie przejścia dziury z powłoki K dają linię z tzw. serii K:

- przejście dziury do powłoki L

- przejście dziury do powłoki M itd.

Powłoka L ma swoje podpowłoki dlatego dostajemy linie
,
. Podpowłoki te tworzą strukturę subtelną (np. żółta linia sodu składa się z dwóch linii o długościach fali równych 0.58900
i 0.58959
- tzw. dublet). Za strukturę subtelną odpowiedzialne są: oddziaływanie spin-orbita oraz poprawki relatywistyczne.

Cechą liniowych widm rentgenowskich jest regularność zmian częstotliwości i długości fal linii w zależności od liczby atomowej Z. Przyczyną tej regularności jest zależność charakterystyk widm rentgenowskich od energii wiązania elektronów w powłokach wewnętrznych (patrz model Bohra, gdzie
). Ze wzrostem liczby atomowej Z energie te rosną proporcjonalnie do
, gdzie
jest tzw. stałą ekranowania, ze względu na wzrost ładunku jądra i nie wpływają na nie okresowe zmiany liczby elektronów w powłokach zewnętrznych atomów. Ta regularność dla widm rentgenowskich została odkryta i opisana empirycznym wzorem przez Moseley'a:

gdzie C jest stałą, w przybliżeniu równą stałej Rydberga, zaś
jest stałą ekranowania (dla linii
stała ekranowania jest równa jedności).

Stosując wzór empiryczny do określenia Z, Moseley jednoznacznie ustalił korelację między ładunkiem jądra atomu i jego miejscem w układzie okresowym pierwiastków. Na przykład, stwierdził on, że liczba atomowa kobaltu jest o jeden mniejsza niż niklu, choć masa atomowa kobaltu jest większa. Wykazał również, że w znanym wówczas układzie występowały luki dla Z = 43, 61, 72, 75. Pierwiastki o tych liczbach atomowych zostały później odkryte. Tak więc liniowe widmo rentgenowskie doskonale nadaje się do identyfikacji pierwiastków

Wzajemne oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego i materii.(Pochłanianie i rozpraszanie promieni rentgenowskich)

Część promieniowania rentgenowskiego przenikając przez materię ulega osłabieniu przez ich wzajemne oddziaływanie. Istnieją trzy podstawowe procesy wzajemnego oddziaływania:

1. rozpraszanie spójne,

Występuje wtedy, gdy foton promieniowania rtg trafi na atom. Może to spowodować wysłanie innego fotonu, o zmienionym kierunku, ale o tej samej długości fali. Spójne rozpraszanie jako jedyne przebiega bez jonizacji atomu.

2. Zjawisko fotoelektryczne

Foton promieniowania rtg o energii nieco większej niż energia wiązania powłoki elektronu atomu, na który trafia oddając całą swoją energię wytrąca ten elektron poza atom. Nazywa się on wtedy fotoelektronem. Powstają jednocześnie dwa jony i dwa fotony promieniowania charakterystycznego przez zmiany położenia elektronów na powłokach wzbudzonego atomu. Zjawisko fotoelektryczne jest zjawiskiem pochłaniania promieniowania.

3. Rozpraszanie Comptona

Występuje wtedy, gdy foton uderza w elektron powłoki zewnętrznej atomu, która ma niską energię wiązania. Elektron zostaje wyrzucony poza atom, a pozostała energia fotonu tworzy nowy foton o zmienionej długości fali (dłuższej) i zmienionym kierunku ( nawet o 180). Atom pozbawiony elektronu staje się jonem.

Przy wyższych energiach promieniowania rentgenowskiego (nie stosowanych w diagnostyce medycznej) występuje jeszcze zjawisko tworzenia par i zjawisko rozpadu atomu.

Promieniowanie rentgenowskie ma następujące właściwości:

1. zmniejsza swoje natężenie z kwadratem odległości,

2. ulega osłabieniu przenikając przez materię,

3. wywołuje jonizację materii,

4. wywołuje zjawisko luminescencji,

5. działa na emulsję fotograficzną,

6. ma działanie biologiczne.

Zmiana natężenia z kwadratem odległości ma istotne znaczenie dla techniki wykonywania zdjęć rentgenowskich oraz dla pacjenta i radiologa. Z właściwości tej wynika prosta zasada, że odległość jest najlepszą ochroną przed promieniowaniem.

Osłabianie promieniowania, na które składa się zjawisko pochłaniania i rozpraszania ma kluczowe znaczenie w diagnostyce radiologicznej. Obrazy rentgenowskie oglądane na zdjęciu i podczas prześwietlania powstają dzięki zróżnicowanemu osłabianiu zależnemu od rodzaju materiału. Za pochłanianie promieniowania jest odpowiedzialne zjawisko fotoelektryczne. Im wyższa zawartość pierwiastków o dużych liczbach atomowych, tym pochłanianie większe. Tkanki miękkie zbudowane głownie z pierwiastków lekkich, takich jak wodór, węgiel czy tlen wytwarzają bardzo mało fotoelektronów. Natomiast kości zawierające wapń dużo. Dlatego w obrazie rentgenowskim występują różnice zaczernienia między np. gazem, tkankami miękkimi i tkanką kostną.

Wzajemny udział pochłaniania i rozpraszania w osłabieniu promieniowania zależy energii promieniowania i rodzaju materiału. Im wyższa energia promieniowania tym większe rozpraszanie.

Działanie biologiczne promieniowania rentgenowskiego wynika z jonizacji tkanek poddanych napromieniowaniu. Fotony promieniowania rtg reagują z elektronami orbitalnymi tkanek ( jonizacja lub wzbudzenie) doprowadzając do zmian na poziomie molekularnym. W sprzyjających warunkach energia wyzwolona w powyższych procesach może inicjować łańcuch przemian fizykochemicznych i biochemicznych w komórce i przestrzeni zewnątrzkomórkowej, a w efekcie w wyższych poziomach strukturalnych. Podstawową regułą określającą promienioczułość komórek, a więc ich podatność na uszkodzenie, jest reguła sformułowana w pierwszych latach XXw. przez Bergonie i Tribondeau, która głosi: "Wrażliwość komórek na promieniowanie jest wprost proporcjonalna do ich aktywności proliferacyjnej i odwrotnie proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania."

Z właściwości tej wynika zróżnicowany sposób szkodliwości promieniowania rtg w zależności od rodzaju tkanki, a także możliwość wykorzystania promieni rtg w leczeniu, czyli rentgenoterapia.

Dyfrakcja promieni Roentgena (promieni X)

Promienie X są falami elektromagnetycznymi o długościach fal rzędu 0.1 nm.

(Dla przypomnienia światło żółte z przykładu 1 ma długość równą 589 nm.)

W 1912 r. Max von Laue zauważył, że ciała stałe zawierające regularny układ atomów mogą stanowić naturalną, trójwymiarową „siatkę dyfrakcyjną” dla promieniowania X. (Standardowe optyczne siatki dyfrakcyjne są bezużyteczne bo λ << d.).

Rysunek poniżej pokazuje wiązkę promieni X, o widmie ciągłym, padającą na kryształ. Wiązki promieni powstałe w wyniku interferencji fal ugiętych na atomach padają na kliszę tworząc na niej charakterystyczny układ punktów zwany obrazem Lauego. Analiza położeń i natężeń tych punktów pozwala na określenie struktury kryształu.

Prawo Bragga podaje warunki, w jakich jest możliwa dyfrakcja promieni Roentgena krysztale. Rysunek poniżej pokazuje ugięcie wiązki promieni X na zespole równoległych płaszczyzn (linie przerywane). Odległość między płaszczyznami wynosi d.

W krysztale można wybrać wiele różnych rodzin płaszczyzn o różnych odległościach międzypłaszczyznowych.

Rysunek (a) pokazuje falę oddziałującą z rodziną płaszczyzn, z których jedna jest pokazana na rysunku (b).

Ugięcie następuje na elementarnych centrach rozpraszania (komórki elementarne - odpowiednik pojedynczej szczeliny).

Promienie ugięte będą się sumować gdy różnica dróg będzie równa całkowitej wielokrotności długości fali.

ab' - a'b = ab(cosβ − cosθ) = kλ, k = 0, 1, 2,

Dla k = 0 otrzymujemy β = θ tzn. płaszczyzna wyznaczona przez atomy działa jak „zwierciadło” odbijające falę padającą (kąt padania = kąt odbicia) tzn. w tym kierunku jest wzmocnienie promieniowania ugiętego.

Jeżeli chcemy otrzymać wzmocnienie promieniowania odbitego od całej rodziny płaszczyzn dla kierunku określonego przez kąt θ to muszą się wzmacniać promienie odbite od poszczególnych płaszczyzn. Oznacza to, że różnica dróg dla promieni odbitych od sąsiednich płaszczyzn musi być równa całkowitej wielokrotności λ, tak więc:

2dsinθ = mλ, m = 1, 2, 3,....

Zależność ta została podana przez W. L. Bragga i stąd nazwa prawo Bragga.

Zastosowanie promieni rentgenowskich:
-pierwszą dziedziną, w której promieniowanie Röntgena znalazły praktyczne zastosowanie, była medycyna.
-lotniska są wyposażone w aparaturę rentgenowską służącą do prześwietlania bagażu. Ruchoma taśma przesuwa bagaże przed źródłem promieni X. Po prześwietleniu walizki promienie X są wychwytywane przez detektory. Wykorzystując te promienie, komputer wyświetla na ekranie obraz zawartości walizki, który obserwują pracownicy lotniska. Dzięki temu zawczasu można przechwycić przemyt, np. broni lub zorientować się, czy na pokład samolotu nie zostanie wniesiona bomba.
- promienie X znalazły również zastosowanie w defektoskopii. Defektoskopia rentgenowska polega na nieniszczących badaniach metali, które mają na celu wykrycie wewnętrznych wad materiału (pęknięć, pęcherzy, zanieczyszczeń itp.). --budownictwie - promieniowanie stosuje się przy spawaniu rurociągów a zwłaszcza przy budowie konstrukcji stalowych gdzie istotna jest wytrzymałość. Prześwietlenie konstrukcji pozwala zaobserwować, czy jest rura szczelna i jednorodna.
- naukowcy korzystają z nich, badając np. strukturę cząsteczkową takich materiałów jak plastyk, inżynierowie prześwietlają kadłub samolotu w poszukiwaniu pęknięć, które mogłyby spowodować wypadek.
-każdy odbiornik telewizyjny jest źródłem promieniowania X, o małej energii, która nie przedostaje się przez szybę odbiornika.
-promieniowanie X stosowane jest w różnych rodzajach reaktorów, np. reaktorach doświadczalnych (za pomocą których przeprowadza się doświadczenia naukowe), reaktorach przemysłowych (do produkcji energii elektrycznej)
-w mikroskopach elektronowych, cyklotronach, akcelatorach, które są wykorzystywane w fizyce jądrowej.
- wykorzystuje się także w badaniach pierwiastkowego składu chemicznego substancji (analiza rentgenospektralna) oraz do badania struktur kryształów (krystalografia rentgenowska).
- umożliwiają również obserwowanie przyćmionych ciał, na przykład pulsarów.
-podczas I wojny światowej rentgenografia służyła do poszukiwania kul i odłamków w ciałach zranionych żołnierzy
- w 1896 roku promienie X były wykorzystywane we Francji do diagnozowania gruźlicy
- w przemyśle -badanie i konserwacja artykułów spożywczych(działanie bakteriobójcze)
Promieniowanie rentgenowskie największe zastosowanie znalazło w medycynie:
- promieni rentgenowskich używa się przede wszystkim w medycynie do otrzymywania obrazu organów wewnętrznych oraz leczenia schorzeń. W badaniach radiologicznych stosowane są również związki kontrastowe, czyli substancje, które silnie pochłaniają promienie X.
-dzięki tomografowi rentgenowskiemu uzyskuje się trójwymiarowy obraz wnętrza ciała. Sterowany komputerem proces wykonywania kolejnych zdjęć badanego narządu (w różnych płaszczyznach i pod różnym kątem) pozwala uzyskać warstwowy obraz, przedstawiający bardzo dokładnie nawet
niewielkie zmiany chorobowe.
- promienie rentgena nie nadają się do obrazowania tkanek miękkich, ponieważ przez nie przenikają. Jednak dzięki jądrowemu rezonansowi magnetycznemu otrzymuje się obrazy tkanek miękkich. Obecnie promienie Röntgena służą nie tylko do oglądania kości, ale też wykorzystywane są
do oglądania i leczenia serca, nerek, płuc, wątroby i innych narządów...
- ma również znaczenie w leczeniu nowotworów złośliwych oraz w niektórych schorzeniach skóry (rentgenoterapia)

---