Promienie rentgenowskie są rodzajami promieniowania elektromagnetycznego prawdopodobnie najbardziej znanymi z ich zdolności do widzenia przez skórę osoby i ujawniania obrazów kości znajdujących się pod nią. Postępy w technologii doprowadziły do powstania potężniejszych i bardziej skoncentrowanych wiązek promieniowania rentgenowskiego, jak również do coraz szerszych zastosowań tych fal świetlnych, od obrazowania maleńkich komórek biologicznych i składników strukturalnych materiałów takich jak cement do zabijania komórek rakowych.

Promienie rentgenowskie są z grubsza podzielone na miękkie promienie rentgenowskie i twarde promienie rentgenowskie. Miękkie promienie rentgenowskie mają stosunkowo krótkie fale o długości około 10 nanometrów (nanometr to jedna miliardowa część metra), a więc mieszczą się w zakresie widma elektromagnetycznego (EM) pomiędzy światłem ultrafioletowym (UV) a promieniowaniem gamma. Twarde promieniowanie rentgenowskie ma długość fali około 100 pikometrów (pikometr to jedna trylionowa część metra). Te fale elektromagnetyczne zajmują ten sam obszar widma EM, co promieniowanie gamma. Jedyną różnicą między nimi jest ich źródło: Promienie X są wytwarzane przez przyspieszanie elektronów, podczas gdy promienie gamma są wytwarzane przez jądra atomowe w jednej z czterech reakcji jądrowych.

Historia promieniowania X

Promienie X zostały odkryte w 1895 roku przez Wilhelma Conrada Röentgena, profesora na Uniwersytecie w Würzburgu w Niemczech. Według Nondestructive Resource Center’s „History of Radiography”, Röentgen zauważył, że kryształy w pobliżu wysokonapięciowej lampy katodowej wykazywały fluorescencyjną poświatę, nawet gdy osłonił je ciemnym papierem. Jakaś forma energii była wytwarzana przez lampę, która przenikała przez papier i powodowała świecenie kryształów. Röentgen nazwał tę nieznaną energię „promieniowaniem X”. Eksperymenty wykazały, że promieniowanie to może przenikać przez tkanki miękkie, ale nie kości, i wytwarzać obrazy cieni na płytach fotograficznych.

Za to odkrycie Röentgen otrzymał pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, w 1901 r.

Źródła i efekty promieniowania X

Promieniowanie X może być wytwarzane na Ziemi poprzez wysyłanie wysokoenergetycznej wiązki elektronów rozbijających się o atom taki jak miedź lub gal, według Kelly Gaffney, dyrektora Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Kiedy wiązka uderza w atom, elektrony w wewnętrznej powłoce, zwanej s-powłoką, zostają poruszone, a czasami wyrzucone ze swojej orbity. Bez tego elektronu, lub elektronów, atom staje się niestabilny, więc aby atom mógł się „zrelaksować” lub wrócić do równowagi, Gaffney powiedział, elektron w tak zwanej powłoce 1p wpada, aby wypełnić lukę. Wynik? X-ray gets released.

„Problem z tym jest fluorescencja idzie we wszystkich kierunkach,” Gaffney powiedział Live Science. „Nie są kierunkowe i nie można się na nich skupić. Nie jest to łatwy sposób na stworzenie wysokoenergetycznego, jasnego źródła promieniowania rentgenowskiego.”

Wchodzimy do synchrotronu, rodzaju akceleratora cząstek, który przyspiesza naładowane cząstki takie jak elektrony wewnątrz zamkniętej, kolistej ścieżki. Podstawowa fizyka sugeruje, że za każdym razem, gdy przyspieszasz naładowaną cząstkę, emituje ona światło. Rodzaj światła zależy od energii elektronów (lub innych naładowanych cząstek) i pola magnetycznego, które popycha je wokół koła, powiedział Gaffney.

Ponieważ elektrony synchrotronu są popychane do prędkości bliskiej prędkości światła, wydzielają ogromne ilości energii, szczególnie promieniowania rentgenowskiego. I to nie byle jakie promienie X, ale bardzo potężną wiązkę skupionego światła rentgenowskiego.

Promieniowanie synchrotronowe po raz pierwszy zaobserwowano w General Electric w Stanach Zjednoczonych w 1947 roku, według European Synchrotron Radiation Facility. Promieniowanie to było uważane za uciążliwe, ponieważ powodowało utratę energii przez cząstki, ale później, w latach 60-tych, zostało uznane za światło o wyjątkowych właściwościach, które przezwyciężyło niedoskonałości lamp rentgenowskich. Jedną z interesujących cech promieniowania synchrotronowego jest to, że jest ono spolaryzowane; to znaczy, że pola elektryczne i magnetyczne fotonów oscylują w tym samym kierunku, który może być liniowy lub kołowy.

„Ponieważ elektrony są relatywistyczne , kiedy wydają światło, to kończy się koncentruje się w kierunku do przodu,” Gaffney powiedział. „Oznacza to, że dostajesz nie tylko odpowiedni kolor światła promieni X i nie tylko dużo ich, ponieważ masz dużo elektronów przechowywanych, są one również preferencyjnie emitowane w kierunku do przodu.”

Obrazowanie rentgenowskie

Dzięki ich zdolności do penetracji niektórych materiałów, promienie X są wykorzystywane do kilku zastosowań oceny nieniszczącej i testowania, w szczególności do identyfikacji wad lub pęknięć w komponentach strukturalnych. Według NDT Resource Center, „Promieniowanie jest kierowane przez część na kliszę lub inny detektor. Uzyskany w ten sposób shadowgraph pokazuje wewnętrzne cechy” oraz czy część jest zdrowa. Jest to ta sama technika stosowana w gabinetach lekarskich i stomatologicznych do tworzenia zdjęć rentgenowskich kości i zębów, odpowiednio.

Promienie rentgenowskie są również niezbędne w inspekcjach bezpieczeństwa transportu ładunków, bagażu i pasażerów. Elektroniczne detektory obrazowe pozwalają na wizualizację w czasie rzeczywistym zawartości paczek i innych przedmiotów pasażerskich.

Pierwotnym zastosowaniem promieniowania rentgenowskiego było obrazowanie kości, które można było łatwo odróżnić od tkanek miękkich na dostępnym wówczas filmie. Jednak dokładniejsze systemy ogniskowania i bardziej czułe metody wykrywania, takie jak ulepszone błony fotograficzne i elektroniczne czujniki obrazowania, umożliwiły rozróżnianie coraz bardziej drobnych szczegółów i subtelnych różnic w gęstości tkanek, przy jednoczesnym zastosowaniu znacznie niższych poziomów ekspozycji.

Dodatkowo, tomografia komputerowa (CT) łączy wiele obrazów rentgenowskich w trójwymiarowy model regionu zainteresowania.

Podobna do tomografii komputerowej, tomografia synchrotronowa może ujawnić trójwymiarowe obrazy struktur wewnętrznych obiektów, takich jak elementy konstrukcyjne, według Centrum Helmholtza ds. Materiałów i Energii.

Terapia rentgenowska

Terapia promieniowaniem wykorzystuje promieniowanie o wysokiej energii do zabijania komórek nowotworowych poprzez uszkadzanie ich DNA. Ponieważ leczenie może również uszkodzić normalne komórki, National Cancer Institute zaleca, aby leczenie było starannie zaplanowane w celu zminimalizowania skutków ubocznych.

Według U.S. Environmental Protection Agency, tak zwane promieniowanie jonizujące z promieniowania rentgenowskiego oddziałuje na skupiony obszar z energią wystarczającą do całkowitego usunięcia elektronów z atomów i cząsteczek, zmieniając w ten sposób ich właściwości. W wystarczających dawkach może to spowodować uszkodzenie lub zniszczenie komórek. Takie uszkodzenie komórek może powodować raka, ale może być również wykorzystane do walki z nim. Kierując promienie rentgenowskie na guzy nowotworowe, można zniszczyć te nieprawidłowe komórki.

Astronomia rentgenowska

Według Roberta Pattersona, profesora astronomii na Uniwersytecie Stanowym Missouri, niebiańskie źródła promieniowania rentgenowskiego obejmują bliskie układy podwójne zawierające czarne dziury lub gwiazdy neutronowe. W takich układach, bardziej masywna i zwarta pozostałość po gwieździe może odrywać materiał od swojej gwiazdy towarzyszącej, tworząc dysk niezwykle gorącego gazu emitującego promieniowanie rentgenowskie podczas spirali do wewnątrz. Dodatkowo, supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk spiralnych mogą emitować promieniowanie rentgenowskie podczas pochłaniania gwiazd i obłoków gazu, które znajdą się w ich zasięgu grawitacyjnym.

Teleskopy rentgenowskie wykorzystują odbicia pod niskim kątem, aby skupić te wysokoenergetyczne fotony (światło), które w przeciwnym razie przeszłyby przez normalne lustra teleskopu. Ponieważ atmosfera ziemska blokuje większość promieniowania rentgenowskiego, obserwacje są zwykle prowadzone za pomocą balonów na dużych wysokościach lub teleskopów orbitalnych.

Dodatkowe zasoby

.