Rentgenové záření
Diskuse
úvod
Elektromagnetické vlnění
Reverzní fotoelektrický jev
historie
Rentgenové záření objevil v roce 1895 německý fyzik Wilhelm Röntgen (psáno též Roentgen). První Nobelovu cenu za fyziku obdržel v roce 1901 „jako uznání mimořádných zásluh, které prokázal objevem pozoruhodných paprsků, jež byly následně pojmenovány jeho jménem“. Předseda Wurzberské fyzikálně-lékařské společnosti Albert von Kolliker, jehož rukou byl tento snímek vytvořen, navrhl, aby se tato nová forma záření nazývala „Röntgenovy paprsky“. Röntgen měl jinou představu.
Je tedy vidět, že nějaké činidlo je schopno pronikat černou lepenkou, která je pro ultrafialové světlo, sluneční světlo nebo obloukové světlo zcela neprůhledná. Je proto zajímavé zkoumat, jak dalece mohou stejná činidla pronikat jinými tělesy. Snadno se ukáže, že všechna tělesa mají stejnou průhlednost, ale ve velmi různé míře. Například papír je velmi průhledný; fluorescenční obrazovka se rozsvítí, když ji umístíme za knihu o tisíci stranách; tiskařská čerň neklade žádný výrazný odpor….. Kus hliníkového plechu o tloušťce 15 mm stále propouštěl rentgenové paprsky (jak budu paprsky pro stručnost nazývat), ale výrazně snižoval fluorescenci. Skleněné desky podobné tloušťky se chovají podobně; olovnaté sklo je však mnohem neprůhlednější než sklo bez olova….. Podržíme-li ruku před fluorescenčním stínítkem, stín zobrazí kosti tmavě, jen se slabými obrysy okolních tkání.
Wilhelm Röntgen, 1895
Röntgen zřejmě vždy psal s velkým písmenem x. Já raději používám malé písmeno, protože paprsky záměrně nejsou pojmenovány po nikom a ničem.
Upozornění: Doma to nezkoušejte. Nikde to nezkoušejte!
Sítnice oka je na tyto paprsky zcela necitlivá: oko přiložené k přístroji nic nevidí. Z pokusů vyplývá, že to není způsobeno nedostatečnou propustností struktur oka.
Wilhelm Röntgen, 1895
1912: Walter Friedrich a Paul Knipping difraktují rentgenové záření v zinkovém blendu
1912: Max von Laue navrhuje použít mřížkové pevné látky k difrakci rentgenového záření
1913: William Bragg a Lawrence Bragg vypracovali Braggovu podmínku pro silný odraz rentgenového záření
1922: Arthur Compton studuje rozptyl rentgenových fotonů elektrony
Roentgenové/plynem plněné trubice
První rentgenové trubice byly naplněny vzduchem při nízkém tlaku (nebo částečným vakuem, chcete-li)… katoda, anoda a antikatoda.
 Zdroj: bulbcollector.com alias kilocat |
 Zdroj: foto autora a.k.a. autor |
Chladicí/vakuové trubice
Většina dnes používaných rentgenových trubic je „naplněna“ vakuem. Tuto „zcela novou odrůdu“ rentgenky vynalezl v roce 1913 americký elektroinženýr William Coolidge (1873-1975). V témže roce Coolidge vyvinul techniku výroby jemného drátu z wolframu (notoricky netuhého kovu). Téměř každá žárovka vyrobená po roce 1913 obsahuje wolframové vlákno vyrobené Coolidgeovým postupem. Když skončil s prací na žárovkách, zaměřil se na rentgenové trubice. Hádejte co? Téměř každá rentgenka vyrobená po roce 1913 obsahuje wolframové vlákno vyrobené postupem používaným v žárovkách.
V typické vakuové rentgence se elektrony urychlují ze zahřáté katody směrem ke kovové anodě velkým rozdílem potenciálů. Změna teploty vlákna mění proud elektronů – žhavější katoda uvolňuje více elektronů než studená. To určuje intenzitu nebo „jas“ rentgenového paprsku. Protože jeden elektron při dopadu na anodu vyprodukuje jeden rentgenový foton, více elektronů prolétajících trubicí znamená více rentgenových fotonů emitovaných z trubice. Napětí na trubici určuje kinetickou energii elektronů při nárazu na anodu, což zase určuje průraznost rentgenových fotonů – větší energie na elektron znamená větší energii na rentgenový foton, a tedy větší schopnost proniknout hmotou.
Katoda je svinuté drátěné vlákno (obvykle wolframové) zahřáté na teplotu kolem 2000 °C (bílá horkost). Vyzařuje elektrony prostřednictvím termionické emise. V jistém smyslu se elektrony „vaří“ z povrchu kovu, ale je to zvláštní druh vaření, protože elektrony, které odcházejí, jsou vždy nahrazeny novými. Pokud doma postavím na sporák hrnec s vodou, dám ho vařit a pak na hodinu nebo dvě odejdu z kuchyně, je velká pravděpodobnost, že než se vrátím, bude hrnec prázdný (a možná dokonce prskající do červena). To se u elektronů v katodě nestane. Ty, které odejdou, jsou vždy nahrazeny novými. Kdyby se tak nestalo, skončili bychom se sbírkou kladně nabitých iontů (a nakonec i holých jader), které by se kvůli vzájemnému odpuzování jistě rozletěly. Rentgenka je obvodový prvek. Proud jde jedním koncem dovnitř a druhým ven a stále dokola po obvodu.
Anoda je poměrně masivní měděný chladič, jehož cílová plocha je šikmo seříznutá a potažená nějakým jiným kovem (obvykle platinou). Více než 99 % kinetické energie předané elektronům se na anodě přemění na teplo. Zbývající 1 % je emitováno jako brzdné záření (tj. užitečné rentgenové záření). Toto teplo musí být předáno, jinak by se terč roztavil. Coolidgeovo řešení spočívalo v otáčení terče pomocí malého motoru. To zajistilo, že horký bod nikdy nezůstal na jednom místě tak dlouho, aby způsobil trvalé poškození anody. (Některé rentgenky jsou chlazeny vodou.) Terč je naříznut šikmo, takže emitované rentgenové paprsky odlétají od povrchu pod jiným úhlem než dopadající elektrony. Při řezu pod úhlem 45° vycházejí rentgenové paprsky kolmo k ose trubice. Všechny fotografie rentgenových trubic na této stránce mají terče seříznuté pod tímto úhlem. (Fotografie zubní rentgenky zobrazená vlevo dole je trochu zkreslená, takže geometrie není patrná.)
 Schéma „zcela nové odrůdy“ rentgenky z patentové přihlášky Williama Coolidge z roku 1913. Téměř všechny současné rentgenky jsou variantami Coolidgeovy trubice. Zdroj: US Patent & Úřad pro ochranné známky |
 Vakuová rentgenka typu používaného ve stomatologii. Zdroj: bulbcollector.com |
charakteristické vs. bremsstrahlungové (brzdné) spektrum.
 |
 |
 |
brems (brzdění/zpomalování) + strahlung (záření)
- V chladném čistém kovu (a) jsou všechny elektrony pod Fermiho energetickou hladinou. Tepelná energie umožňuje elektronům vytvořit prostorový oblak ve vakuu (b) a působení elektrického pole umožňuje shromažďování elektronů na anodě; jinak se mezi elektrony uvnitř a vně kovu nastoluje rovnováha. Wolframový drát se používá ve většině rentgenových trubic, elektronových mikroskopů a elektronových mikrosond, aby se využila vysoká teplota pro tavení (3680 K) a vypařování. V běžné rentgenové trubici je drát tvořen cívkou o rozměrech přibližně 1 cm na 1 mm a teplota je nastavena tak, aby se minimalizovalo odpařování atomů W, které pomalu znečišťují terčík. Pokud není přiloženo urychlovací napětí, není z horkého vlákna vyzařován žádný proud, protože se v blízkosti povrchu kovu vytváří prostorový náboj elektronů. Saturační proud se měří tak, že se kov použije jako katoda vakuové trubice a elektrony se shromažďují na anodě, která je dostatečně kladná, aby se prostorový náboj rozptýlil. V běžné rentgence se dostatečné stability dosáhne regulací napětí žhavicího vlákna (pro ohřev) a urychlovacího napětí mezi katodou a anodou.
- Existují dva (TŘI?) hlavní mechanismy, kterými vzniká rentgenové záření. První mechanismus zahrnuje rychlé zpomalení vysokorychlostního elektronu při vstupu do elektrického pole jádra. Během tohoto procesu je elektron vychýlen a emituje foton rentgenového záření. Tento typ rentgenového záření se často označuje jako bremsstrahlung nebo „brzdné záření“. Pro daný zdroj elektronů vznikne spojité spektrum bremsstrahlungu až do maximální energie elektronů.
Rtg záření vzniká vždy, když jsou zpomalovány rychle se pohybující elektrony, nejen v rentgenkách. Téměř všechny přirozeně se vyskytující zdroje rentgenového záření jsou mimozemské. (Ne, to neznamená, že je produkují mimozemské bytosti z vesmíru. Znamená to jen „mimo Zemi“.) Rentgenové záření vzniká, když je sluneční vítr zachycen magnetickým polem Země ve Van Allenových radiačních pásech. Významným zdrojem rentgenového záření ve vesmíru jsou černé díry. Hmota padající do černé díry zažívá extrémní zrychlení způsobené intenzivním polem černé díry. Jediná izolovaná částice by do ní spadla, aniž by uvolnila záření, ale proud částic ano, protože částice by na své cestě do díry do sebe narážely. Každá nepružná srážka, kterou nabitá částice zažije, by vedla k emisi fotonu. Protože tyto srážky probíhají při velkých rychlostech, jsou energie emitovaných fotonů řádově stejné jako v rentgenové oblasti elektromagnetického spektra. Inelastické srážky při ještě vyšších energiích (více než milion elektronvoltů) by generovaly záření gama.
- Druhým mechanismem, kterým vzniká rentgenové záření, jsou přechody elektronů mezi atomovými orbitami. Takové přechody zahrnují pohyb elektronů z vnějších orbitů do volných míst uvnitř vnitřních orbitů. Při těchto přechodech emitují elektrony fotony rentgenového záření s diskrétními energiemi danými rozdíly energetických stavů na začátku a na konci přechodu. Protože takové rentgenové záření je charakteristické pro daný prvek a přechod, nazývá se charakteristické rentgenové záření.
Třetím mechanismem je synchrotronová emise.
- Původně ji předpověděli v roce 1944 Ivanenko a Pomeranščuk v Rusku, o tři roky později byla náhodně pozorována v uzavřeném kruhovém urychlovači typu synchrotronu. Dlouho byl považován za „odpadní produkt“, protože synchrotronové záření vzniká v urychlovačích jako magnetický bremsstrahlung a nežádoucím způsobem omezuje požadovanou konečnou energii urychlovačů. Teprve o několik let později, v roce 1956, bylo synchrotronové záření Tomboulianem a Hartmannem konkrétně využito k vědeckým výzkumům.
Synchrotronové záření je vyzařováno nabitými částicemi pohybujícími se po zakřivené dráze (jako by tomu bylo při pohybu magnetickým polem). Protože zdrojem veškerého elektromagnetického záření je zrychlení náboje, je synchrotronové záření příkladem elektromagnetického záření vznikajícího dostředivým zrychlením (na rozdíl od bremsstrahlungu, který vzniká tečným zrychlením). Vlnová délka tohoto záření je funkcí energie nabitých částic a intenzity magnetického pole ohýbajícího nabité částice. Spektrum tohoto záření je spojité a je charakterizováno kritickou vlnovou délkou, která rozděluje spektrum na dvě části se stejným výkonem (polovina výkonu vyzářeného nad kritickou vlnovou délkou a polovina pod ní).
Kritickou vlnovou délku lze zjistit pomocí následující rovnice
| λc = | 4π | E03 | |
| 3 | cBE2 |
která se redukuje na následující rovnici, pokud jsou nabité částice elektrony
| λc = | 1.86453 |
| BE2 |
Synchrotronové zdroje záření: prstence, vlnovce, wiggly, National Synchrotron Light Source neprodukuje světlo jako primární formu elektromagnetického záření. Většina výzkumů prováděných v tomto zařízení využívá rentgenové záření a vakuové ultrafialové záření produkované svazkem elektronů.
- V roce 1945 byl synchrotron navržen jako nejnovější urychlovač pro fyziku vysokých energií, určený k vytlačování částic, v tomto případě elektronů, na vyšší energie, než dokázal cyklotron, tehdejší urychlovač částic. Urychlovač přijímá stacionární nabité částice, jako jsou elektrony, a pohání je na rychlosti blízké rychlosti světla. Nabité částice, které jsou nuceny magnety obíhat kruhový akumulační prstenec, tangenciálně vyzařují elektromagnetické záření a v důsledku toho ztrácejí energii. Tato energie je vyzařována ve formě světla a je známá jako synchrotronové záření.
Synchrotronové záření je v urychlovači částic na obtíž, protože vysává energii z urychlovaných částic, ale představuje ideální zdroj vysokoenergetického elektromagnetického záření. Vzniklý svazek se skládá z téměř rovnoběžných paprsků (kolimovaných) a je poměrně intenzivní.
- Synchrotronové záření lze produkovat hodiny, možná i dny, pokud byste byli ochotni platit elektrické bily a měli nějaký důvod pracovat nepřetržitě. rentgenové lampy mohou pracovat jen několik sekund nebo možná minut. Pokud je budete provozovat příliš dlouho, shoří stejně jako žárovka.
- Synchrotronové záření je „organizované“: paprsek je vysoce polarizovaný (většina vln kmitá ve stejné rovině) a kolimovaný (většina vln je ve stejném směru). rentgenové trubice produkují „chaotické“ záření, které je zcela nepolarizované a lze ho jen velmi obtížně zaostřit. Synchrotronový zdroj je jako „rentgenový laser“, zatímco rentgenová trubice je jako „rentgenový reflektor“.
- Synchrotronové záření lze „sdílet“. Velký synchrotron může mít až 50 paprskových linek a během jednoho roku provést stovky, ne-li tisíce experimentů. Vybudování synchrotronových zařízení je nákladné, ale vyplatí se v samotném objemu výzkumu.
- Synchrotrony nebo undulátory (známé také jako vkládací zařízení) produkují synchrotronové záření, které je podstatně jasnější než záření z ohybového magnetu. Zařízení způsobuje, že elektrony se místo po zakřivené dráze pohybují po dráze sinusové, a to vytvořením série magnetických polí, která mají střídavou polaritu a jsou kolmá na směr pohybu elektronů. Wiggler zvyšuje jas záření produkovaného daným svazkem elektronů zhruba o dvojnásobek počtu plných oscilací, kterými svazek projde. Výchylky svazku jsou v undulátoru menší než v wiggleru a jas záření lze teoreticky zvýšit o faktor přibližně rovný kvadrátu počtu kmitů, ale pouze při diskrétních energiích fotonů.
hybnost fotonů
Max Planck objevil, že fotony mají energii.
E = hf
Albert Einstein objevil, že energie a hybnost spolu souvisejí.
E2 = p2c2 + m2c4
Fotony jsou bezhmotné, takže tato rovnice se redukuje na…
E = pc
Spojte Plancka a Einsteina (jejich rovnice, ne samotné muže)…
hf = pc
Řešte hybnost…
| p = | hf |
| c |
Připomeňte si, že…
| λ = | c |
| f |
Takže…
| p = | h |
| λ |
Pokud mají Planck a Einstein pravdu, pak mají hybnost i fotony. Nyní potřebujeme experimentální důkazy, které by to potvrdily nebo vyvrátily. (Nebojte se, nikdo to nevyvrátí.)
comptonův jev
Arthur Compton (1892-1962) Spojené státy
| ∆λ = | 2h | sin2 | θ |
| mec | 2 |
technologie
stínografy
počítačová axiální tomografie (CAT)
x-rozptyl paprsků
difrakce rentgenového záření
rentgenová fluorescence