Rentgenové paprsky jsou typem elektromagnetického záření, které je pravděpodobně nejznámější díky své schopnosti vidět skrz lidskou kůži a odhalit obraz kostí pod ní. Technologický pokrok vedl k silnějším a cílenějším rentgenovým paprskům a také ke stále širšímu využití těchto světelných vln, od zobrazování drobných biologických buněk a strukturálních součástí materiálů, jako je cement, až po ničení rakovinných buněk.

Rentgenové záření se zhruba dělí na měkké a tvrdé rentgenové záření. Měkké rentgenové záření má relativně krátkou vlnovou délku kolem 10 nanometrů (nanometr je jedna miliardtina metru), a spadá tak do oblasti elektromagnetického (EM) spektra mezi ultrafialové (UV) světlo a gama záření. Tvrdé rentgenové záření má vlnovou délku přibližně 100 pikometrů (pikometr je jedna biliontina metru). Tyto elektromagnetické vlny se nacházejí ve stejné oblasti EM spektra jako gama záření. Jediný rozdíl mezi nimi je v jejich zdroji: Rentgenové záření vzniká urychlením elektronů, zatímco gama záření je produkováno atomovými jádry v jedné ze čtyř jaderných reakcí.

Historie rentgenového záření

Rentgenové záření objevil v roce 1895 Wilhelm Conrad Röentgen, profesor na univerzitě v německém Würzburgu. Podle publikace Nondestructive Resource Center „History of Radiography“ si Röentgen všiml, že krystaly v blízkosti vysokonapěťové katodové trubice vykazují fluorescenční záři, i když je odstínil tmavým papírem. Trubice produkovala určitou formu energie, která pronikala papírem a způsobovala záření krystalů. Röentgen nazval neznámou energii „rentgenovým zářením“. Pokusy ukázaly, že toto záření může pronikat měkkými tkáněmi, ale ne kostmi, a vytváří stínové obrazy na fotografických deskách.

Za tento objev byla Röentgenovi v roce 1901 udělena vůbec první Nobelova cena za fyziku.

Zdroje a účinky rentgenového záření

Podle Kellyho Gaffneyho, ředitele Stanfordského zdroje synchrotronového záření, lze rentgenové záření na Zemi vytvořit vysláním svazku elektronů o vysoké energii, který narazí do atomu, například mědi nebo galia. Když paprsek narazí do atomu, elektrony ve vnitřní slupce, tzv. s-shell, se rozkmitají a někdy jsou vymrštěny z oběžné dráhy. Bez tohoto elektronu nebo elektronů se atom stává nestabilním, a proto, aby se atom „uvolnil“ nebo se vrátil do rovnováhy, řekl Gaffney, vpadne do něj elektron v takzvané 1p slupce, aby vyplnil mezeru. Výsledek? Uvolní se rentgenové záření.

„Problém je v tom, že fluorescence se šíří všemi směry,“ řekl Gaffney pro Live Science. „Nejsou směrové a nedají se zaostřit. Není to příliš snadný způsob, jak vytvořit vysoce energetický a jasný zdroj rentgenového záření.“

Vstupte do synchrotronu, typu urychlovače částic, který urychluje nabité částice, jako jsou elektrony, uvnitř uzavřené kruhové dráhy. Ze základních fyzikálních zákonů vyplývá, že při každém urychlování nabité částice vzniká světlo. Typ světla závisí na energii elektronů (nebo jiných nabitých částic) a magnetickém poli, které je tlačí po kružnici, řekl Gaffney.

Protože jsou elektrony v synchrotronu tlačeny na rychlost blízkou rychlosti světla, vyzařují obrovské množství energie, zejména rentgenové. A ne jen tak ledajaké rentgenové záření, ale velmi silný svazek soustředěného rentgenového záření.

Synchrotronové záření bylo podle European Synchrotron Radiation Facility poprvé pozorováno v roce 1947 v General Electric ve Spojených státech. Toto záření bylo považováno za nepříjemné, protože způsobovalo ztrátu energie částic, ale později v 60. letech 20. století bylo uznáno za světlo s výjimečnými vlastnostmi, které překonává nedostatky rentgenových trubic. Jednou ze zajímavých vlastností synchrotronového záření je, že je polarizované, to znamená, že elektrické a magnetické pole všech fotonů kmitá ve stejném směru, který může být buď lineární, nebo kruhový.

„Protože jsou elektrony relativistické , když vyzařují světlo, je nakonec soustředěno směrem dopředu,“ řekl Gaffney. „To znamená, že získáte nejen správnou barvu světla rentgenových paprsků a nejen jejich velké množství, protože máte uloženo velké množství elektronů, ale jsou také přednostně vyzařovány v přímém směru.“

Rentgenové zobrazování

Díky své schopnosti pronikat určitými materiály se rentgenové paprsky používají pro řadu aplikací nedestruktivního hodnocení a testování, zejména pro identifikaci vad nebo trhlin v konstrukčních součástech. Podle NDT Resource Center: „Záření je vedeno skrz součást a na film nebo jiný detektor. Výsledný stínový snímek zobrazuje vnitřní vlastnosti“ a to, zda je součást v pořádku. Jedná se o stejnou techniku, která se používá v ordinacích lékařů a zubařů k vytváření rentgenových snímků kostí, respektive zubů.

Rentgenové snímky jsou také nezbytné pro bezpečnostní kontroly nákladu, zavazadel a cestujících v dopravě. Elektronické zobrazovací detektory umožňují v reálném čase vizualizovat obsah balíků a dalších předmětů pro cestující.

Původní využití rentgenových paprsků bylo pro zobrazování kostí, které byly na tehdy dostupném filmu snadno odlišitelné od měkkých tkání. Přesnější zaostřovací systémy a citlivější detekční metody, jako jsou zdokonalené fotografické filmy a elektronické zobrazovací senzory, však umožnily rozlišovat stále jemnější detaily a nepatrné rozdíly v hustotě tkání při použití mnohem nižších úrovní expozice.

Dále se používá počítačová tomografie (CT), která kombinuje více rentgenových snímků do 3D modelu oblasti zájmu.

Podobně jako CT může synchrotronová tomografie podle Helmholtzova centra pro materiály a energii odhalit trojrozměrné obrazy vnitřních struktur objektů, například technických součástí.

Rentgenová terapie

Rentgenová terapie využívá vysokoenergetické záření k ničení rakovinných buněk poškozením jejich DNA. Vzhledem k tomu, že léčba může poškodit i normální buňky, doporučuje Národní onkologický ústav léčbu pečlivě naplánovat, aby se minimalizovaly vedlejší účinky.

Podle americké Agentury pro ochranu životního prostředí (U.S. Environmental Protection Agency) tzv. ionizující záření rentgenových paprsků zasahuje cílenou oblast dostatečným množstvím energie, aby zcela odebralo elektrony atomům a molekulám a změnilo tak jejich vlastnosti. V dostatečných dávkách to může poškodit nebo zničit buňky. Toto poškození buněk může způsobit rakovinu, ale lze ho také využít v boji proti ní. Nasměrováním rentgenového záření na rakovinné nádory lze tyto abnormální buňky zničit.

Rentgenová astronomie

Podle Roberta Pattersona, profesora astronomie na Missourské státní univerzitě, patří mezi nebeské zdroje rentgenového záření blízké binární systémy obsahující černé díry nebo neutronové hvězdy. V těchto systémech může hmotnější a kompaktnější hvězdný pozůstatek při svém spirálovitém pohybu směrem dovnitř odebírat materiál ze své průvodní hvězdy a vytvářet disk extrémně horkého plynu vyzařujícího rentgenové záření. Kromě toho mohou supermasivní černé díry v centrech spirálních galaxií vyzařovat rentgenové záření, protože pohlcují hvězdy a oblaka plynu, které se dostanou do jejich gravitačního dosahu.

Rentgenové teleskopy využívají odrazů pod malým úhlem k zaostření těchto vysokoenergetických fotonů (světla), které by jinak prošly zrcadly běžných teleskopů. Protože zemská atmosféra blokuje většinu rentgenového záření, pozorování se obvykle provádí pomocí výškových balónů nebo orbitálních dalekohledů.

Další zdroje