اشعه ایکس
اشعه ایکس
طیف اشعه ایکس
اشعه تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس یک طول موج ندارد. بلکه شامل گسترهای از طول موجهاست. پرتوهای ایکس بوسیله دو نوع فرایند تولید میشوند:
· شتاب منفی الکترونها در موقع برخورد با انتهای ماده هدف پرتوهای ایکسی با طول موجهای متفاوت تولید میکند. این پرتو "سفید" یا نوار پیوسته فرکانسها در طیف اشعه ایکس را به عنوان تابش ترمزی میشناسند.
· برخورد الکترون با اتم هدف موجب جابجایی الکترون مداری در اتم هدف و راندن آن به حالت پر انرژیتری میشود. این عمل را برانگیزش مینامند.
o هنگامی که الکترون مداری پر انرژی به موقعیت مداری نخستین خود برمیگردد، رها شدن انرژی بصورت گسیل پرتوی با فرکانس خاصی خواهد بود. این پرتو شدت خیلی بیشتری نسبت به پرتو "سفید" زمینه خواهد داشت.
o معمولا برای هر ماده هدف معینی بیش از یک طول موج اشعه ایکس وجود دارد. طول موج پرتو تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس ، حد پایینی دارد که با ولتاژ لامپ نسبت عکس دارد. کمترین طول موج برحسب نانومتر (nm) از رابطه زیر بدست میآید. که در آن V ولتاژ لامپ میباشد.
λmin = 1239.5/V
o پرتو حد پایینی طول موج طیف ، بیشترین اهمیت را در پرتو نگاری دارد. زیرا توانایی نفوذ آن بیشتر است.
مشخصههای بارز اشعه ایکس
· بزرگی جریان لامپ بر پخش طول موج اشعه ایکس تولید شده تأثیر ندارد. اما بر روی شدت پرتو موثر است.
· طول موج اشعه ایکس یا اشعه گاما بسیار مهم است. با کاهش طول موج ، نفوذپذیری پرتو به درون محیط افزایش مییابد. به بیان دیگر در مقایسه با پرتوی با طول موج بزرگتر ، پرتوی با طول موج بسیار کوتاه قادر به نفوذ به ماده معینی با ضخامت بیشتر و یا چگالی بیشتر خواهد بود. بنابراین ، اگر حداقل طول موج پرتو تولید شده با افزایش ولتاژ لامپ کاهش یابد، نفوذپذیری پرتو افزایش خواهد یافت.
بررسی کمی اشعه ایکس
· پرتو ناشی از لامپ 200 کیلوولتی به درون فولادی به ضخامت حدود 25mm نفوذ میکند.
· اگر ولتاژ لامپ به 1Mv افزایش یابد، پرتو به درون فولادی به ضخامت حدود 130mm نفوذ خواهد کرد.
· حد بالای عملی برای لامپهای اشعه ایکس رایج در حدود 1000Kv است و این امر سبب تولید اشعه ایکس با کوتاهترین طول موج می شود. این پرتو انرژی فوتونی تقریبا برابر 1Mev دارد.
· پرتو ایکس با انرژی فوتونی تا 30Mev را با استفاده از الکترونهای پرانرژی (الکترونهای سریع) بوجود آمده بوسیله مولد واندوگراف شتاب دهنده خطی یا چشمه بتاترون میتوان تولید کرد.
نفوذ پذیری اشعه ایکس
نفوذ پذیری پرتوهای ایکس تولید شده از پرتوهای گاما کمتر بوده اما برای پرتوهای ایکس تولید شده در لامپهای اشعه ایکس بوسیله چشمههای پرانرژی در خصوص فولاد نیز دیده میشود. باید توجه کرد که بیشترین ضخامتهای استفاده از زمانهای پرتودهی چند دقیقهای و فیلمی با سرعت متوسط میتوان مورد بررسی قرار داد. مقاطع ضعیفتر را با استفاده از زمانهای پرتودهی طولانی و فیلمی با سرعت زیاد میتوان بازرسی کرد.
نحوه تولید اشعه ایکس
پرتوهای ایکس را بوسیله بمباران هدفی فلزی با باریکهای از الکترونهای سریع تولید می کنند. قطعات اصلی لامپ اشعه ایکس شامل کاتد برای گسیل الکترونها و آند به عنوان هدف میباشد، که هر دو درون لامپ خلا جای گرفتهاند. با توجه به میزان نفوذ اشعه ایکس و فرکانس مربوطهاش از لامپهای اشعه ایکس متنوعی در کارهای تحقیقاتی ، پزشکی ، صنعت و ... استفاده میکنند.
يكي از صورتهاي انرژي است. اين اشعه را اشعهي مجهول و يا اشعهي رونتگن نيز ناميدهاند.
اكنون دانشمندان ميدانند كه اشعهي ايكس نوعي تابش الكترومغناطيسي هستند. تابشهاي الكترومغناطيسي موجهايي هستند كه از نوسانهاي الكتريكي و مغناطيسي تشكيل شدهاند. اشعهيگاما، اشعهي ايكس، اشعهيفرابنفش، نور، اشعهيفروسرخ و موجهايراديويي از موجهاي الكترومغناطيسيهستند. اين موجها انرژي دارند و در خلأ هم ميتوانند منتشرشوند. سرعتانتشار آنها برابربا سرعت نور، يعني در خلأ حدود 300000 كيلومتر در ثانيه است. اشعهي ايكس، مانند نورمعمولي، در خط راست منتشرميشوند. اين اشعه، مانند نورمعمولي بر فيلمعكاسي اثرشيميايي دارند، ولي بر سلولهاي بينايي اثري كه سبب ديده شدن اشيا باشد نميگذارند.
تفاوت اشعهي ايكس و نورمعموليدر طولموج آنهاست. طولموجهاي اشعهي ايكس خيليدر جسمهايكدر، كه نورمعمولي از آن نميگذرد، به آساني نفوذميكنند و اگر اين جسمها زياد كلفتنباشند، از آنهاميگذرند. توانايينفوذ و ويژگيهاي ديگر اشعهي ايكس سببشدهاست كه اين اشعه درپزشكي، صنعت، و پژوهشهايعلمي كاربردهاي فراوان داشتهباشند.
اشعهي ايكس سبب تغييراتشيميايي و فيزيكي در موادميشوند. اين اشعه اگر به وسيلهي جانوريا گياه جذبميشوند، ممكناست به بافتهاي زندهي آنها آسيب برساند، يا حتي آنها را از ميانببرند. به هميندليل، اشعهي ايكس ممكناست براي جانداران زيانآور و خطرناكباشند. جذب بيش از اندازهياشعهي ايكس ممكناست سببسرطان، سوختگيهايپوستي، كمخوني، يا بيماريها و ناراحتيهاي ديگر در انسان بشود. پزشكان و كساني كه با دستگاههاي اشعهي ايكس كارميكنند بايد بسياردقّت كنند تاخود و بيمارانشان بيش از اندازه در برابر تابش اين اشعه قرارنگيرند.
اشعهي ايكس در طبيعت به وسيلهيخورشيد و ستارگان ديگرتوليد ميشوند. تابش اشعهي ايكس از بعضيستارگان آنقدر زياداست كه آنستارگان راگاهي ستارگان ايكس مينامند، بيشتر اشعهي ايكسي كه درخورشيد و ستارگان ديگر توليدميشود، پيشاز رسيدن به زمين، به وسيلهي جوّ زمين جذبميشود.
اشعهي ايكس، به طورمصنوعي، بيشتر به وسيلهي دستگاههايموّلد اشعهي ايكس توليد ميشوند. بعضي از دستگاههايي هم كه در مراكزاتمي به كارميروند اشعهي ايكس توليدميكنند.
ويژگيهاي اشعهي ايكس
تابشهاي الكترومغناطيسي با طول موج كوتاهتر پر انرژيتر از تابش با طول موج بلندتر هستند. در ميان انواع تابشهاي الكترومغناطيسي اشعهي ايكس داراي طول موج بسيار كوتاه و انرژي بسيار زياد هستند.
طول موجهاي اشعهي ايكس از 01/0 آنگسترم[1][1] تا 100 آنگسترم در تغييراست. طول موجهايي كه بر سلولهايبينايي مااثر ميگذارد از 4000تا حدود7000 آنگسترم است.
بسياري از ويژگيهاي اشعهي ايكس نتيجهيكوتاه بودن طولموج و زيادبودن انرژي آنهاست. اشعهي ايكس بيشتر ازنورمعمولي در ماده نفوذميكنند، زيرا خيلي پر انرژيتر از آنهستند. هر چه طولموج اشعهي ايكس كوتاهترباشد، اين اشعه در اجسام نفوذميكنند.
اشعه ايكس با طولموج كوتاهتر را اشعهي ايكسسخت، واشعهي ايكس را با طول موج بلندتر را، كه كمتر دراجسام نفوذميكنند، اشعهي ايكسنرم مينامند. اشعهي ايكس، برخلاف نورمعمولي ، به آساني ازآينه منعكسنميشوند، زيرا به سبب داشتن انرژي زياد معمولاً به جاي بازتاب، در آينه نفوذميكنند.
نورمعمولي، هنگامي كه از هواميگذرد و وارد عدسيشيشهاي ميشود، ميشكند، ولي اشعهي ايكس هنگامي كه از مادّهاي ميگذرد و وارد مادّهي ديگري ميشود، چندان نمي شكند.
اشعهي ايكس، هنگامبرخورد باالكترونهاي اتمهايمادّه، بهوسيلهي آنهاجذبميشود. عدّهي الكترونهاياتم با عدداتمي برابراست. بنابراين، موادي كه عدداتمي آنها زياد است از مواد ديگر، اشعهي ايكس را جذب ميكنند. سرب، كه عدداتمي آن 82
است، بيشتر از مواد ديگر اشعهي ايكس را جذب ميكند. به همين سبب، براي جلوگيري از سپرها ياحفاظتهايسربي استفادهميشود. برليم، كه عدداتمي آن 4است، اشعهي ايكسرا بهميزان بسياركم جذبميكند. جذب اشعهي ايكسبه چگاليمادّه و عوامل پيچيدهتر ديگري نيز بستگيدارد. موادّي كه چگالي آنها زياد است بيشتر از مواد ديگر اشعهي ايكس را جذبميكنند.
آن دسته از اشعهي ايكس كه بهوسيلهي مادّه جذبميشود، اگر انرژي كافي داشته باشد، ميتواند الكترونهاي اتمهاي ماده را از آن جداكند. اتمي كه از نظر الكتريكي خنثي است اگر الكترون بگيرد يا از دست بدهد، بار الكتريكي پيدا ميكند. اتمي را كه بار الكتريكيدارد يون، واين فرايند را يونيزاسيون (يونش) مينامند.
اشعهي ايكس هنگاميكه ازبدنميگذرند، دربافتهاتوليد يونشميكنند. اشعهي ايكس اگر بيش از اندازه به بافتهاي بدن بتابند، به سلولهاي آن آسيبميرسانند. به همين سبب، اشعه ي ايكس، با آنكه كارايي فراواندارند، ممكناست خطرناك هم باشند.
توليد اشعه ي ايكس
الكترونها، اگر با سرعت زياد به عنصر سنگيني برخورد كنند، اين عنصر از خود اشعهي ايكس تابشميكند. اساس ساختماندستگاهي كهاشعهي ايكس توليدميكند به اين صورت است:
در لولهاي كه درون آن خالي شدهاست از يك رشتهسيم كه درحال التهاباست[2][2]، پيوسته الكترون خارج ميشود. اين رشته را كاتد[3][3] مينامند.دردرون اين لوله قطب مثبت، يا آند[4][4]، نيز وجود دارد. ميان كاتد و آند اختلافپتانسيل زياد برقرارميكنند. الكترونهايي كه از كاتد خارج ميشوند، بر اثر اين اختلاف پتانسيل زياد، سرعت ميگيرند. الكترونها به خط راست حركت ميكنند و در سر راه خود به فلزي كه درون لوله قرار دارد ضربه ميزنند. اين فلز آنتيكاتد ناميده ميشود آنتيكاتد الكترونها راميگيرد ودرعوض اشعهي ايكس تابشميكند. آنتيكاتدرا ازفلزديرگداز، مانند تنگستن، انتخابميكنند. ممكناست آنتيكاتد همان آند باشدهر قدر پتانسيل آند بيشتر باشد، الكترونها بيشترسرعتميگيرند و اشعه ي ايكسي كه از كاتد تابش ميشود طولموج كوتاهتري دارند و سختتر هستد.
كاربردهاي اشعهي ايكس
در پزشكي از اشعهي ايكس بيشتر براي عكسبرداري از استخوانها واندامهاي درون بدن استفادهميشود. پزشكان، با بررسي اين عكسها، ميتوانند جاي استخوانهاي شكسته يا اندامهاي آسيب ديده را تشخيصبدهند. دندانپزشكان، با بررسي آنها، ميتوانند به جاي پوسيدگي دندانها و چگونگي ريشه آنها پي ببرند.
عكسبرداري از اندامها درون بدن را راديوگرافي (پرتونگاري) و ديدن آنها را راديوسكوپي (پرتو بيني) مينامند. پزشكي كه راديوگرافي يا راديوسكوپي ميكند راديولوژيست يا راديولوگ (پرتوشناس) و كار او راديولوژي (پرتوشناسي) ناميده ميشود. راديوگرافي با اشعهي ايكس به اين صورت است كه باريكهاي از اشعهي ايكس، پس از گذشتن از بدن بيمار، فيلمحسّاس عكاسي تابانده ميشود. اشعهي ايكس از پوست و گوشت بيشتر ميگذرد تا از استخوان. در نتيجه، تصوير استخوانها در فيلم روشنتر و تصوير اندامها ديگر به صورت سايه و تاريكتر نشان دادهميشود. درصفحهفلوئورسان برخوردميكنند و پزشكاز پشتاينصفحهميتواند تصوير اندامهاي بيمار را در حال كار كردن ببينيد. به هنگام راديو گرافي يا راديوسكوپي گاهي مادّهي بيزياني به بدن بيمار تزريق يا به اوخورانده ميشود تا اندام مورد نظر آشكارتر ديدهشود مثلاً، ممكناست پزشك، پيش از راديوگرافي با اشعهي ايكس از رودهي بيمار، به او محلول سولفات باريم بخوراند. اينمادّهاشعهي ايكس را جذب ميكند و در نتيجه تصوير رودهها روشنتر ديده ميشود.
اشعهي ايكس در درمان سرطان نيز كاربرد فراوان دارند. اين اشعه سلولهاي سرطاني را زودتر از سلولهاي سالم از ميان ميبرند. اگر به يك غده ي سرطاني به اندازهي لازم اشعهي ايكس بتابانند، آن غده سرانجام، بيآنكه به سلولهاي سالم آسيب زياد برسد، ازميانميرود. درمان بهوسيلهي اشعهي ايكس را راديوتراپي (پرتودرماني) مينامند.
اشعهي ايكس كاربردهاي ديگر نيز در پزشكيدارد. دستكشها و سرنگهاي جراحي را با استفاده از اين اشعه ضدعفونيميكنند. اينگونه وسيله و ابزارها را نمي توان با حرارتدادن يا جوشاندن ضدعفوني كنند، زيرا فوري خرابميشوند.
در صنعت، براي بازرسي محصولات فلزي مختلف، مانند آلومينيوم و فولاد، كه به صورت ريختهگري تهيّه شدهاند از اشعهي ايكس استفادهميشود. عكسهايي كه از اين راه تهيّه ميشوند حفرههاي ريز و شكستگيهاي درون قطعههاي فلزي را كه از سطح ديده نميشوند آشكارميكنند. براي بازرسي محصولاتيكه به ميزان زياد توليد مي شوند، مانند ترانزيستورها و قطعه هاي الكترونيكي كوچك، نيز اشعهي ايكس به كارميبرند. در فرودگاههاو جاهايي كه بار مسافران را بازرسي مي كنند، براي پيدا كردن اسلحه يا چيزهاي ممنوع ديگر، چمدانها و بارهاي مسافرانرا از برابر اشعهي ايكس ميگذرانند.
توليدكنندگان مواد پلاستيكي به بعضي از اين مواد اشعهي ايكس ميتابانند.اين اشعه سبب تغييرات شيميايي و محكمتر شدن آنها ميشود. از اشعهي ايكس براي جلوگيري از توليد نوعي مگس استفادهميكنند. اينمگس درگوشت و خون جانوران تخمريزي مي كند و سبب تلف شدن حيوان مي شود. اشعهي ايكس جنس نر اين حشره عقيم ميكند. بهوسيلهي اشعهي ايكس بذرهاي اصلاح شدهاي از جو دوسر بهدستميآورند كه محصول بيشترو بهتر مي دهد و يا درزمينهايي كهخاك كم قوت دارند نيز به خوبي رشد ميكند و محصول ميدهد.
با استفاده از اشعة ايكس ميتوان ساختمان بلورين اجسام را شناخت و از اين راه تشخيص داد كه جسم از چه موادي تشكيل شده است. هنگامي كه باريكهاي از اشعة ايكس از بلور يك جسم ميگذرد، اتمهاي آن جسم، مانند آينههاي بسيار ريز، اشعة تابيده شده را به صورت نقشي منظم پراكنده ميكنند. نقشي كه از پراكنده شدن اشعةايكس، پس از تابش بر يك بلور پديد ميآيد، مخصوص همان بلور است و نقش پراش آن بلور ناميده ميشود. دانشمندان، در پژوهشهاي علمي، با مطالعة نقشهاي گوناگون پراش بلورهاي هر جسم، آگاهيهاي بسياري دربارة آرايش اتمهاي بلور آن جسم به دست ميآورند. مطالعه پراش اشعةايكس به وسيله بلورها را بلورنگاري اشعه ايكس (X-ray crystallography) مينامند.
دانشمندان براي بررسي ساختمان بعضي از مواد شيميايي پيچيده، مانند آنزيمها و پروتئينها و همچنين براي توليد مصنوعي آنها از اشعة ايكس استفاده ميكنند.
باستانشناسان براي بررسي اشياي كهني كه لاية كلفتي از گرد و خاك و مواد ديگر يا زنگ زدگي آنها را پوشانده است، از اشعة ايكس استفاده ميكنند. از اين راه ميتوانند، بدون برداشتن لايه رويي كه ممكن است به خودي شيء آسيب برساند، تصوير آن را ببينند. همچنين براي شناختن تابلوهاي قديمي و اصيل كه ممكن است نقاشي ديگري روي آنها را پوشاندهباشد از اشعهي ايكس استفاده ميكنند. رنگهاي نقاشي رادرگذشته از تركيبهايسربميساختند، وليرنگهايجديد بيشتر از تركيبهايعناصر سبك ساخته ميشوند. چون عنصرهاي سنگين اشعة ايكس را بيشتر جذب ميكنند، از اين رو ميتوان به كمك آنها نقاشيهاي قديم و اصيل را تشخيص داد.
چگونه اخترشناسان قادر به ديدن اشعه ي ايكس هستند؟
گرچه اشعه ايكس انرژي بسيار زيادي براي نفوذ دارد اما اتمسفر زمين به اندازه ي كافي براي رد نشدن اشعه ي ايكس ضخيم است و مانع از رد شدن آنها مي شود و تنها اجازه مي دهد تا 10 سانتيمتر از اين پرتو در هوا نفوذ كند حال ما براي اينكه اين پرتو را دريافت نمائيم چاره اي به جز تحقيقات در بالاي جو نداريم . با توجه به اين محدوديت ما 4 روش براي مطالعه بر روي اشعه ي ايكس پيش رو داريم ...
1: فرستادن موشك اكتشاف تغييرات جوي يا sunding rocket
2: فرستان بالون ها
3: فرستادن ساتالايت ها
4: تلسكوپ هاي فرو سرخ
موشك اكتشاف تغييرات جوي (sunding rocket)
در اين راكت اكتشاف گر ردياب اشعه ايكس در دماغه يا نوك راكت قرار مي گيرد اين همان روش است كه در سال 1949 در نيو مكزيكو اجرا شد كه اولين اين پرتو هاي دريافتي مربوط به خورشيد مي شد در سال 1962 اولين نشانه ها از پرتو ايكس غير از خورشيد تائيد شد و از آنجا بود كه دانشمندان توجه شان معطوف به اين شد كه آيا ممكن است كه اين پرتو اين همه راه را آمده باشد بدون اينكه منحرف شده باشد؟
حال ديگر دانشمندان به اين فكر افتادند كه تا به حال داشته اند شمال زمين را به دنبال اشعه ايكس مي گشتند حال آنكه ممكن بود درصد وجود پرتو ايكس در جنوب بيشتر مي بود و دانشمندان مجبور بودند براي هر طرف زمين يك راكت را روانه ي آسمان كنند تا شايد بتوانند اين پرتو را رصد كنند ولي اين كار هزينه ي زيادي را در بر داشت به همين دليلي دانشمندان به فكر افتادند تا از بالون ها استفاده كنند ...
بالون هاي اكتشافي
مزيت بالونهاي اكتشافي اين بود كه مي توانستند تجهيزات بيشتري براي مطالعه به همراه خود به بالاي 35 كيلومتري زمين ببرند و در آنجا تحقيق را آغاز كنند و مزيت بالونها اين بود كه مي توانستند زمان بيشتري در بالا بمانند و تحقيق كنند و مانند راكت ها نبودند كه تا چند دقيقه بيشتر نمي توانستند اطلاعات جمع آوري نمايند تنها ضعفي كه اين بالون ها داشتند اين بود كه اشعه هاي ايكسي را جمع آوري مي كردند كه ديگر قابل مطالعه نبودند چرا كه با وجود اينكه بالونها تا فاصله زيادي بالا رفته بودند ولي اشعه هاي ايكس تا آن فاصله ديگر نمي توانستند خود را برسانند و ضعيف مي شدند به اين دليل بود كه دانشمندان به اين فكر افتادند كه يك شئي بسازند كه هم بتواند مدت زمان زيادي در فضا بماند هم بتواند گردش كند و هم بتواند تجهيزات مختلفي با خود ببرد از اين جا بود كه طرح ساتالايت ها ريخته شد...
ساتالايت ها
همان طور كه گفته شد بالون ها فقط قادر به رصد طول موجها و طيف هاي ناقصي از پرتو ها بودند اما ساتالايت ها مي توانستند اين طول موجها را به صورت كامل دريافت نمايند و مورد مطالعه قرار دهند به علاوه ساتالايت ها مي توانستند زمان زيادي در فضا باشند و به دور زمين بچرخند به عنوان مثال ساتالايت veta 5B توانست براي 10 سال در خارج از جو روي اين پرتو ها و پرتوهاي ديگر مطالعه نمايد ....
حال ديگر فرصت آن رسيده تا با استفاده از تلسكوپ هاي فرو سرخ به مطالعه ي اين پرتو هاي مرموز كه از ماوراي ما مي آيند بپردازيم.
تلسكوپ هاي فرو سرخ
اين تلسكوپ ها مي توانند با استفاده از اشعه هاي فرو سرخ كه مي توانند از غبارو گاز عبور كنند به راحتي منابع اشعه ايكس را كشف كنند نه اينكه اشعه ايكس دريافت كنند فرضا تلسكوپ اسپيتزر كه در بالاي جو قرار دارد(براي رصد بهتر) مي تواند سياه چاله ها يي را كه از خود فوران اشعه ايكس دارند را به راحتي شناسايي و رصد كند.
توجه داشته باشيد كه اين تلسكوپ ها هم مي توانند در زمين باشند هم در جو .
منبع