X ışınları hakkında ne biliyoruz?

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

19. yüzyılda, insan gözünün göremediği, etten ve diğer maddelerden geçebilen radyasyon, tamamen fantastik bir şey gibi görünüyordu. Şimdi, X-ışınları tıbbi görüntüler oluşturmak, radyasyon tedavisi yapmak, sanat eserlerini analiz etmek ve nükleer enerji sorunlarını çözmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.

X-ışını radyasyonunun nasıl keşfedildiğini ve insanlara nasıl yardımcı olduğunu - fizikçi Alexander Nikolaevich Dolgov ile birlikte öğreniyoruz.

X ışınlarının keşfi

19. yüzyılın sonundan itibaren bilim, dünyanın resmini şekillendirmede temelde yeni bir rol oynamaya başladı. Bir asır önce, bilim adamlarının faaliyetleri amatör ve özel nitelikteydi. Ancak 18. yüzyılın sonlarına doğru, bilimsel ve teknolojik devrimin bir sonucu olarak bilim, birçok uzmanın katkısıyla her keşfin mümkün olduğu sistematik bir faaliyete dönüşmüştür.

Araştırma enstitüleri, periyodik bilimsel dergiler ortaya çıkmaya başladı, bilimsel başarılar ve teknik yenilikler için telif hakkının tanınması için rekabet ve mücadele başladı. Tüm bu süreçler, 19. yüzyılın sonunda Kaiser'in ülkenin dünya sahnesindeki prestijini artıran bilimsel başarıları teşvik ettiği Alman İmparatorluğu'nda gerçekleşti.

Bu dönemde coşkuyla çalışan bilim adamlarından biri de Würzburg Üniversitesi rektörü fizik profesörü Wilhelm Konrad Roentgen'di. 8 Kasım 1895'te, sık sık olduğu gibi, laboratuvarda geç saatlere kadar kaldı ve cam vakum tüplerinde elektrik boşalması üzerine deneysel bir çalışma yapmaya karar verdi. Odayı kararttı ve boşalmaya eşlik eden optik olayları gözlemlemeyi kolaylaştırmak için tüplerden birini opak siyah kağıda sardı. Sürprizime

Röntgen yakındaki bir ekranda baryum siyanoplatinit kristalleriyle kaplı bir floresan bandı gördü. Bir bilim adamının, zamanının en önemli bilimsel keşiflerinden birinin eşiğinde olduğunu hayal etmesi pek olası değildir. Önümüzdeki yıl X-ışınları hakkında binin üzerinde yayın yapılacak, doktorlar buluşu hemen hizmete alacak, onun sayesinde gelecekte radyoaktivite keşfedilecek ve bilimin yeni yönleri ortaya çıkacak.

Röntgen sonraki birkaç haftayı anlaşılmaz ışımanın doğasını araştırmaya adadı ve tüpe her akım uyguladığında flüoresansın ortaya çıktığını buldu. Radyasyonun kaynağı elektrik devresinin başka bir parçası değil, tüptü. Neyle karşı karşıya olduğunu bilmeyen Roentgen, bu fenomeni X-ışınları veya X-ışınları olarak adlandırmaya karar verdi. Ayrıca Röntgen, bu radyasyonun, nesnenin kalınlığına ve maddenin yoğunluğuna bağlı olarak, neredeyse tüm nesnelere farklı derinliklerde nüfuz edebileceğini keşfetti.

Böylece, deşarj tüpü ile ekran arasındaki küçük bir kurşun diskin röntgen ışınlarından etkilenmediği ortaya çıktı ve elin kemikleri, yumuşak dokulardan daha açık bir gölge ile çevrili ekrana daha koyu bir gölge düşürdü. Yakında bilim adamı, X-ışınlarının yalnızca baryum siyanoplatinitle kaplı ekranın parlamasına değil, aynı zamanda X-ışınlarının fotoğraf emülsiyonuna düştüğü yerlerde (geliştirmeden sonra) fotoğraf plakalarının kararmasına da neden olduğunu öğrendi.

Deneyleri sırasında Roentgen, bilimin bilmediği radyasyonu keşfettiğine ikna oldu. 28 Aralık 1895'te Annals of Physics and Chemistry dergisinde yayınlanan "Yeni bir radyasyon türü hakkında" makalesinde araştırma sonuçlarını bildirdi. Aynı zamanda bilim adamlarına, daha sonra ünlü olan karısı Anna Bertha Ludwig'in elinin resimlerini gönderdi.

Roentgen'in eski arkadaşı Avusturyalı fizikçi Franz Exner sayesinde bu fotoğrafları 5 Ocak 1896'da Die Presse gazetesinin sayfalarında ilk görenler Viyana sakinleri oldu. Ertesi gün, açılışla ilgili bilgiler London Chronicle gazetesine iletildi. Böylece Röntgen'in keşfi yavaş yavaş insanların günlük hayatına girmeye başladı. Pratik uygulama neredeyse hemen bulundu: 20 Ocak 1896'da New Hampshire'da doktorlar, kolu kırılmış bir adamı yeni bir teşhis yöntemi - bir röntgen kullanarak tedavi ettiler.

X-ışınlarının erken kullanımı

Birkaç yıl boyunca, daha doğru operasyonlar için X-ray görüntüleri aktif olarak kullanılmaya başlandı. Açılışlarından 14 gün sonra Friedrich Otto Valkhoff ilk diş röntgenini çekti. Ardından Fritz Giesel ile birlikte dünyanın ilk diş röntgen laboratuvarını kurdular.

1900'e gelindiğinde, keşfinden 5 yıl sonra, teşhiste X-ışınlarının kullanımı tıbbi uygulamanın ayrılmaz bir parçası olarak kabul edildi.

Pennsylvania'daki en eski hastane tarafından derlenen istatistikler, X-ışını radyasyonuna dayalı teknolojilerin yayılmasının göstergesi olarak kabul edilebilir. Ona göre, 1900'de hastaların sadece %1-2'si X-ışınları ile yardım alırken, 1925'te zaten %25'i vardı.

X-ışınları o zamanlar çok alışılmadık bir şekilde kullanılıyordu. Örneğin, epilasyon hizmetleri sağlamak için kullanılıyorlardı. Uzun bir süre boyunca, bu yöntemin daha ağrılı olanlarla - forseps veya balmumu ile karşılaştırıldığında tercih edildiği kabul edildi. Ek olarak, X-ışınları ayakkabı takma aparatlarında - deneme amaçlı floroskoplarda (pedoskoplar) kullanılmıştır. Bunlar, ayaklar için özel bir çentik bulunan X-ray makineleri ve ayrıca müşterinin ve satıcıların ayakkabıların nasıl oturduğunu değerlendirebilecekleri pencerelerdi.

Modern bir güvenlik perspektifinden X-ray görüntülemenin erken kullanımı birçok soruyu gündeme getiriyor. Sorun şuydu ki, X-ışınlarının keşfi sırasında, radyasyon ve sonuçları hakkında pratikte hiçbir şey bilinmiyordu, bu nedenle yeni buluşu kullanan öncüler, zararlı etkileriyle kendi deneyimlerinde karşılaştılar. 19. yüzyılın başında kitlesel bir fenomen haline geldi. XX yüzyıl ve insanlar yavaş yavaş X-ışınlarının akılsız kullanımının tehlikelerinin farkına varmaya başladılar.

X ışınlarının doğası

X-ışını radyasyonu, ultraviyole radyasyon ve gama radyasyonu arasındaki elektromanyetik dalgalar ölçeğinde yer alan ~ 100 eV ila 250 keV arasında foton enerjili elektromanyetik radyasyondur. Elementlerin atomları, elektronların atomun elektron kabuklarından fırlatıldığı bir elektron, alfa parçacıkları veya gama kuanta akımı tarafından uyarıldığında radyoizotoplarda meydana gelen doğal radyasyonun bir parçasıdır. X-ışını radyasyonu, yüklü parçacıklar ivme ile hareket ettiğinde, özellikle elektronlar yavaşladığında, bir maddenin atomlarının elektrik alanında meydana gelir.

Yumuşak ve sert X-ışınları ayırt edilir, aralarında dalga boyu ölçeğinde yaklaşık 0,2 nm olan koşullu sınır, yaklaşık 6 keV'lik bir foton enerjisine karşılık gelir. X-ışını radyasyonu, kısa dalga boyu nedeniyle hem nüfuz edici hem de iyonlaştırıcıdır, çünkü bir maddeden geçerken elektronlarla etkileşir, onları atomlardan atar, böylece onları iyonlara ve elektronlara ayırır ve maddenin yapısını değiştirir. hangi davranır.

X ışınları, floresan adı verilen kimyasal bir bileşiğin parlamasına neden olur. Numunenin atomlarını yüksek enerjili fotonlarla ışınlamak elektronların emisyonuna neden olur - atomu terk ederler. Bir veya daha fazla elektron yörüngesinde "delikler" oluşur - atomların uyarılmış bir duruma geçmesi nedeniyle boşluklar, yani kararsız hale gelirler. Bir saniyenin milyonda biri sonra, iç yörüngelerdeki boşluklar dış yörüngelerdeki elektronlarla dolduğunda, atomlar kararlı bir duruma döner.

Bu geçişe, ikincil bir foton formundaki enerji emisyonu eşlik eder, dolayısıyla floresan ortaya çıkar.

röntgen astronomi

Dünya'da nadiren X-ışınlarıyla karşılaşırız, ancak uzayda oldukça sık bulunur. Orada birçok uzay nesnesinin aktivitesi nedeniyle doğal olarak oluşur. Bu, X-ışını astronomisini mümkün kıldı. X-ışını fotonlarının enerjisi optik olanlardan çok daha yüksektir, bu nedenle X-ışını aralığında aşırı yüksek sıcaklıklara ısıtılmış bir madde yayar.

Bu kozmik X-ışını radyasyon kaynakları, bizim için doğal arka plan radyasyonunun fark edilir bir parçası değildir ve bu nedenle insanları hiçbir şekilde tehdit etmez. Tek istisna, güneş sistemine yeterince yakın meydana gelen bir süpernova patlaması gibi sert bir elektromanyetik radyasyon kaynağı olabilir.

Yapay olarak X ışınları nasıl oluşturulur?

X-ray cihazları tahribatsız introskopi (tıpta X-ışını görüntüleri, teknolojide kusur tespiti) için hala yaygın olarak kullanılmaktadır. Ana bileşenleri, bir katot ve bir anottan oluşan bir X-ışını tüpüdür. Tüp elektrotları, genellikle onlarca hatta yüz binlerce volt olan bir yüksek voltaj kaynağına bağlanır. Katot ısıtıldığında, katot ve anot arasında üretilen elektrik alanı tarafından hızlandırılan elektronlar yayar.

Anotla çarpışan elektronlar yavaşlar ve enerjilerinin çoğunu kaybederler. Bu durumda, X-ışını aralığının bremsstrahlung radyasyonu ortaya çıkar, ancak elektron enerjisinin baskın kısmı ısıya dönüştürülür, böylece anot soğutulur.

Sabit veya darbeli eylem X-ışını tüpü, hala en yaygın X-ışını radyasyonu kaynağıdır, ancak tek kaynaktan uzaktır. Yüksek yoğunluklu radyasyon darbeleri elde etmek için, akan akımın plazma kanalının akımın kendi manyetik alanı tarafından sıkıştırıldığı - sıkıştırma adı verilen yüksek akım deşarjları kullanılır.

Boşalma, örneğin bir hidrojen ortamında, hafif elementlerin bir ortamında gerçekleşirse, deşarjın kendisinde ortaya çıkan elektrik alanı tarafından etkili bir elektron hızlandırıcı rolü oynar. Bu deşarj, harici bir akım kaynağı tarafından oluşturulan alanı önemli ölçüde aşabilir. Bu şekilde, yüksek nüfuz gücüne sahip, üretilen kuantaların (yüzlerce kiloelektronvolt) yüksek enerjili sert X-ışını radyasyonu darbeleri elde edilir.

Geniş bir spektral aralıkta X-ışınları elde etmek için elektron hızlandırıcıları - senkrotronlar kullanılır. Onlarda, radyasyon, neredeyse ışık hızına hızlandırılmış, dar bir şekilde yönlendirilmiş yüksek enerjili elektron demetinin dairesel bir yörüngede hareket ettiği halka şeklindeki bir vakum odasının içinde oluşur. Dönme sırasında, bir manyetik alanın etkisi altında, uçan elektronlar, maksimumu X-ışını aralığına düşen geniş bir spektrumda yörüngeye teğet olarak foton ışınları yayar.

X-ışınları nasıl tespit edilir?

Uzun bir süre boyunca, X-ışını radyasyonunu tespit etmek ve ölçmek için bir cam plakanın veya şeffaf polimer filmin yüzeyine uygulanan ince bir fosfor veya fotoğraf emülsiyonu tabakası kullanıldı. Birincisi, X-ışını radyasyonunun etkisi altında spektrumun optik aralığında parlarken, kaplamanın optik şeffaflığı, kimyasal bir reaksiyonun etkisi altında filmde değişti.

Şu anda, elektronik dedektörler çoğunlukla X-ışını radyasyonunu kaydetmek için kullanılmaktadır - dedektörün hassas hacminde bir miktar radyasyon emildiğinde elektrik darbesi üreten cihazlar. Soğurulan radyasyonun enerjisini elektrik sinyallerine dönüştürme ilkesinde farklılık gösterirler.

Elektronik kaydı olan X-ışını dedektörleri, eylemi bir maddenin iyonlaşmasına dayanan iyonizasyona ve iyonlaştırıcı radyasyonun etkisi altındaki bir maddenin ışıldamasını kullanarak sintilasyon dahil olmak üzere radyolüminesans olarak ayrılabilir. İyonizasyon dedektörleri de algılama ortamına bağlı olarak gaz dolu ve yarı iletken olarak ikiye ayrılır.

Gazla doldurulmuş dedektörlerin başlıca türleri iyonizasyon odaları, Geiger sayaçları (Geiger-Muller sayaçları) ve orantılı gaz deşarj sayaçlarıdır. Sayacın çalışma ortamına giren radyasyon kuantumları, gazın iyonlaşmasına ve akım akışının kaydedilmesine neden olur. Bir yarı iletken dedektörde, radyasyon kuantasının etkisi altında elektron-delik çiftleri oluşur, bu da dedektörün gövdesinden bir elektrik akımının akmasını mümkün kılar.

Bir vakum cihazındaki sintilasyon sayaçlarının ana bileşeni, radyasyonu yüklü parçacıklar akışına dönüştürmek için fotoelektrik etkiyi ve üretilen yüklü parçacıkların akımını arttırmak için ikincil elektron emisyonu fenomenini kullanan bir fotoçoğaltıcı tüptür (PMT). Fotoçoğaltıcı, bir fotokatot ve hızlandırılmış elektronların çarptığı çarpma üzerine sıralı hızlandırıcı elektrotlar - dinotlardan oluşan bir sisteme sahiptir.

İkincil elektron çoğaltıcı, girişteki X-ışını radyasyonunun bir birincil elektron akışına dönüştürüldüğü ve daha sonra çoğaltıcı kanalda yayılırken ikincil elektron emisyonu nedeniyle güçlendirildiği bir açık vakum cihazıdır (yalnızca vakum koşullarında çalışır)..

Plaka dedektörüne nüfuz eden çok sayıda ayrı mikroskobik kanal olan mikro kanal plakaları aynı prensibe göre çalışır. Ek olarak, yarı saydam bir ekranın giden elektron akışını üzerine bir fosfor çökelterek bombardıman ederek, uzaysal çözünürlük ve X-ışını radyasyon dedektörü üzerindeki akının enine kesitinin optik bir görüntüsünün oluşturulmasını sağlayabilirler.

tıpta röntgen

X-ışınlarının maddi nesneler arasından parlama yeteneği, insanlara yalnızca basit X-ışınları oluşturma yeteneği vermekle kalmaz, aynı zamanda daha gelişmiş teşhis araçları için olanaklar da açar. Örneğin, bilgisayarlı tomografinin (BT) kalbinde yer alır.

Röntgen kaynağı ve alıcı, hastanın yattığı halkanın içinde döner. Vücut dokularının X-ışınlarını nasıl soğurduğuna dair elde edilen veriler, bir bilgisayar tarafından 3 boyutlu bir görüntüye dönüştürülür. BT özellikle inme teşhisi için önemlidir ve beynin manyetik rezonans görüntülemesinden daha az doğru olmasına rağmen çok daha az zaman alır.

Şu anda mikrobiyoloji ve tıpta gelişen nispeten yeni bir yön, yumuşak X-ışını radyasyonunun kullanılmasıdır. Canlı bir organizma yarı saydam olduğunda, kan damarlarının görüntüsünü elde etmeyi, yumuşak dokuların yapısını ayrıntılı olarak incelemeyi ve hatta hücresel düzeyde mikrobiyolojik çalışmalar yapmayı mümkün kılar.

Ağır elementlerin plazmasındaki bir tutam tipi deşarjdan radyasyon kullanan bir X-ışını mikroskobu, canlı bir hücrenin yapısının bu tür ayrıntılarını görmeyi mümkün kılar,özel olarak hazırlanmış bir hücresel yapıda bile elektron mikroskobu ile görülemez.

Malign tümörleri tedavi etmek için kullanılan radyasyon tedavisi türlerinden biri, biyolojik bir nesnenin dokusunu yok eden iyonlaştırıcı etkisi nedeniyle mümkün olan sert X-ışınlarını kullanır. Bu durumda, bir radyasyon kaynağı olarak bir elektron hızlandırıcı kullanılır.

Teknolojide radyografi

Yumuşak X ışınları, kontrollü termonükleer füzyon problemini çözmeyi amaçlayan araştırmalarda kullanılır. Süreci başlatmak için, küçük bir döteryum ve trityum hedefini bir elektrik deşarjından yumuşak X-ışınları ile ışınlayarak ve bu hedefin kabuğunu anında bir plazma durumuna ısıtarak bir geri tepme şok dalgası oluşturmanız gerekir.

Bu dalga, hedef malzemeyi bir katının yoğunluğundan binlerce kat daha yüksek bir yoğunluğa sıkıştırır ve onu termonükleer bir sıcaklığa kadar ısıtır. Termonükleer füzyon enerjisinin salınımı kısa sürede gerçekleşirken, sıcak plazma atalet tarafından saçılır.

Yarı saydamlık özelliği radyografiyi mümkün kılar - örneğin metalden yapılmış opak bir nesnenin iç yapısını görüntülemenize izin veren bir görüntüleme tekniği. Köprü yapılarının sağlam bir şekilde kaynaklanıp kaynaklanmadığını, gaz boru hattındaki dikişin hava geçirmez olup olmadığını ve rayların birbirine sıkıca oturup oturmadığını gözle belirlemek imkansızdır.

Bu nedenle, endüstride, X-ışını kusur tespiti için kullanılır - bir nesnenin ana çalışma özelliklerinin ve parametrelerinin veya nesnenin hizmet dışı bırakılmasını veya sökülmesini gerektirmeyen tek tek öğelerinin güvenilirliğini izlemek.

X-ışını floresan spektrometrisi, çeşitli kökenlerden maddelerde berilyumdan uranyuma 0,0001 ila %100 aralığındaki elementlerin konsantrasyonlarını belirlemek için kullanılan bir analiz yöntemi olan floresansın etkisine dayanır.

Bir numune, bir X-ışını tüpünden gelen güçlü bir radyasyon akışıyla ışınlandığında, numunedeki konsantrasyonlarıyla orantılı olan, atomların karakteristik floresan radyasyonu ortaya çıkar. Şu anda, hemen hemen her elektron mikroskobu, X-ışını floresan analizi yöntemiyle incelenen mikro nesnelerin ayrıntılı element bileşimini herhangi bir zorluk olmadan belirlemeyi mümkün kılmaktadır.

sanat tarihinde röntgen

X-ışınlarının parlama ve floresan etkisi yaratma yeteneği de resimleri incelemek için kullanılır. Boyanın üst katının altında saklı olan şey, tuvalin yaratılış tarihi hakkında çok şey söyleyebilir. Örneğin, bir sanatçının yapıtında bir görüntünün benzersiz olduğu, birkaç kat boyayla yapılan ustaca bir çalışmadır. Tuval için en uygun saklama koşullarını seçerken resmin katmanlarının yapısını da dikkate almak önemlidir.

Bütün bunlar için X-ışını radyasyonu vazgeçilmezdir ve görüntünün üst katmanlarının altına zarar vermeden bakmanızı sağlar.

Bu yöndeki önemli gelişmeler, sanat eserleriyle çalışmak için özelleşmiş yeni yöntemlerdir. Makroskopik floresan, yaklaşık 0,5-1 metrekare veya daha fazla alanlarda bulunan temel elementlerin, özellikle metallerin dağılım yapısını görselleştirmek için çok uygun olan bir X-ışını floresan analizi çeşididir.

Öte yandan, düz yüzeyleri incelemek için daha uygun olan bilgisayarlı X-ışını tomografisinin bir çeşidi olan X-ışını laminografisi, bir resmin tek tek katmanlarının görüntülerini elde etmek için umut verici görünüyor. Bu yöntemler, boya tabakasının kimyasal bileşimini incelemek için de kullanılabilir. Bu, bir sahtekarlığı tanımlamak da dahil olmak üzere tuvalin tarihli olmasını sağlar.

X ışınları, bir maddenin yapısını bulmanızı sağlar

X-ışını kristalografisi, maddenin yapısının atomik ve moleküler seviyelerde tanımlanmasıyla ilişkili bilimsel bir yöndür. Kristal cisimlerin ayırt edici bir özelliği, belirli bir atom, molekül veya iyon kümesinden oluşan aynı elementlerin (hücrelerin) uzamsal yapısında çok sıralı bir tekrardır.

Ana araştırma yöntemi, kristal bir numunenin bir X-ışını kamerası kullanılarak dar bir X-ışınları huzmesine maruz bırakılmasından oluşur. Ortaya çıkan fotoğraf, bilim adamlarının kristal kafes adı verilen uzamsal yapısını görsel olarak görüntüleyebilecekleri, kristalden geçen kırınıma uğramış X-ışınlarının bir resmini göstermektedir. Bu yöntemi uygulamanın çeşitli yollarına X-ışını yapısal analizi denir.

Kristalli maddelerin X-ışını yapısal analizi iki aşamadan oluşur:

1. Kristalin birim hücresinin boyutunun, birim hücredeki parçacıkların (atomlar, moleküller) sayısının ve parçacıkların düzeninin simetrisinin belirlenmesi. Bu veriler, kırınım maksimumlarının konumunun geometrisi analiz edilerek elde edilir.
2. Birim hücre içindeki elektron yoğunluğunun hesaplanması ve elektron yoğunluğu maksimumlarının konumu ile tanımlanan atomik koordinatların belirlenmesi. Bu veriler, kırınım maksimumlarının yoğunluğunun analiz edilmesiyle elde edilir.

Bazı moleküler biyologlar, en büyük ve en karmaşık moleküllerin görüntülenmesinde X-ışını kristalografisinin kriyojenik elektron mikroskobu adı verilen yeni bir teknikle değiştirilebileceğini tahmin ediyor.

Kimyasal analizdeki en yeni araçlardan biri, kriyojenik elektron mikroskobundaki öncü çalışmasında kullandığı Henderson'ın film tarayıcısıydı. Bununla birlikte, bu yöntem hala oldukça pahalıdır ve bu nedenle yakın gelecekte X-ışını kristalografisinin yerini alması pek olası değildir.

X-ışınlarının kullanımıyla ilgili nispeten yeni bir araştırma ve teknik uygulama alanı, X-ışını mikroskobudur. Odaklanma optiği kullanılarak gerçek uzayda incelenen nesnenin büyütülmüş bir görüntüsünü iki veya üç boyutlu olarak elde etmek için tasarlanmıştır.

Kullanılan radyasyonun küçük dalga boyuna bağlı olarak X-ışını mikroskobunda uzaysal çözünürlüğün kırınım sınırı, bir optik mikroskop için karşılık gelen değerden yaklaşık 1000 kat daha iyidir. Ek olarak, X-ışını radyasyonunun nüfuz etme gücü, görünür ışığa tamamen opak olan örneklerin iç yapısını incelemeyi mümkün kılar.

Elektron mikroskopisi biraz daha yüksek uzaysal çözünürlük avantajına sahip olsa da, bir vakum ve örneğin biyolojik nesneler için tamamen yıkıcı olan metalik veya metalize yüzeylere sahip numuneler gerektirdiğinden tahribatsız bir araştırma yöntemi değildir.