Συνεχείς ακτίνες Χ

Στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, έχουμε διαφορετικά είδη ακτινοβολίας που κυμαίνονται από κοσμικές ακτίνες έως ραδιοκύματα. Οι ακτίνες Χ αποτελούν επίσης το φάσμα EMR και χαρακτηρίζονται από υψηλή ενεργειακή συχνότητα και χαμηλό μήκος κύματος. Το μήκος κύματός τους είναι 10-8 έως 10-12 μέτρα, περίπου όσο ένα άτομο. Παράγονται όταν ένα ηλεκτρόνιο υψηλής ταχύτητας συγκρούεται με τον στόχο και χάνει ενέργεια. Ως αποτέλεσμα, απελευθερώνει πολλή ενέργεια, σχηματίζοντας ακτίνες Χ δύο τύπων – συνεχείς ακτινογραφίες και χαρακτηριστικές ακτινογραφίες.

Σημασία συνεχών ακτίνων Χ

Όταν ένα ηλεκτρόνιο με υψηλή ταχύτητα (ή υψηλή κινητική ενέργεια) αναγκάζεται να συγκρουστεί με το μόριο στόχο με υψηλό ατομικό αριθμό, χάνει πολλή ενέργεια. Λόγω της αρχής της εξοικονόμησης ενέργειας, δεν μπορεί να καταστραφεί. Αυτό σημαίνει ότι η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα και ακτίνες Χ. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας χάνεται με τη μορφή θερμότητας. Τι οδηγεί όμως στη μετατροπή της εναπομείνασας ενέργειας σε ακτίνες Χ; Συμβαίνει λόγω της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων με τον πυρήνα του ατόμου στόχου.

Τα ηλεκτρόνια με πολύ υψηλές αρχικές κινητικές ενέργειες μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στο άτομο του μορίου στόχου. Έρχεται σε άμεση γειτνίαση με τον πυρήνα. Το ηλεκτρόνιο είναι αρνητικά φορτισμένο και ο πυρήνας ενός ατόμου είναι θετικά φορτισμένος. Ο πυρήνας ασκεί ηλεκτροστατική δύναμη στο εισερχόμενο ηλεκτρόνιο, αλλάζοντας την αρχική του τροχιά. Η ταχύτητα των ηλεκτρονίων μειώνεται και η ενέργειά τους μειώνεται επίσης σημαντικά. Έτσι, οι ακτίνες Χ δεν έχουν μία σταθερή συχνότητα, αλλά έχουν εύρος (που ανεβαίνει σε μια μέγιστη συχνότητα) λόγω της επιβράδυνσης των ηλεκτρονίων.

Είναι επίσης γνωστό ως bremsstrahlung, που σημαίνει σπάσιμο της ακτινοβολίας. Αναφέρεται επίσης ως λευκό φως, καθώς περιλαμβάνει ακτινοβολία διαφορετικών μηκών κύματος, ακριβώς όπως το λευκό φως.

Παραγωγή συνεχών ακτίνων Χ

Για την παραγωγή ακτίνων Χ, χρησιμοποιούμε ένα σωλήνα ακτίνων Χ ή έναν σωλήνα Coolidge. Είναι ένας γυάλινος σωλήνας με περιβάλλον κενού μέσα. Υπάρχει μια κάθοδος (κυρίως νήμα βολφραμίου) στο ένα άκρο και μια άνοδος στο άλλο. Η κάθοδος παράγει ηλεκτρόνια υψηλής ταχύτητας που χτυπούν την άνοδο.

Η μέγιστη συχνότητα των συνεχών ακτίνων Χ εξαρτάται από την τάση της ανόδου. Έστω V το δυναμικό επιτάχυνσης του σωλήνα ακτίνων Χ ή η διαφορά δυναμικού μεταξύ της ανόδου και της καθόδου.

Τα φωτόνια μέγιστης ενέργειας ή ελάχιστου μήκους κύματος (𝝀min) απελευθερώνονται από το είδος των ηλεκτρονίων που χάνουν όλη την ενέργειά τους σε μία μόνο σύγκρουση με το υλικό της ανόδου. Ολόκληρη η ενέργειά τους (που συμβολίζεται με eV) μετατρέπεται σε ενέργεια ακτινοβολίας.

Τώρα, γνωρίζουμε ότι eV =hc/𝝀min

Αναδιατάσσοντας την εξίσωση, παίρνουμε 𝝀min =hc/eV

Γνωρίζουμε τις τιμές των h, c και eV

h =6,6 x 10-34 Js

c =3 x 108 ms-1 

eV =1,602 x 10-19 V

Αντικαθιστώντας αυτές τις τιμές στην εξίσωση, παίρνουμε, 𝝀min =12,4 x 103 Ao/V

Ιδιότητες συνεχών φασμάτων ακτίνων Χ

1. Η συνολική ενέργεια που εκπέμπεται μέσω των ακτίνων Χ ανά δευτερόλεπτο εξαρτάται από τον ατομικό αριθμό του μορίου στόχου και το ρεύμα μέσα στο σωλήνα ακτίνων Χ (αριθμός ηλεκτρονίων που χτυπούν τον στόχο ανά δευτερόλεπτο). Είναι ευθέως ανάλογο και με τους δύο αυτούς παράγοντες.
2. Η ένταση ενός κύματος μπορεί να οριστεί ως ο ρυθμός ροής της ενέργειας EMR σε διεύθυνση που είναι κάθετη στο κύμα που κινείται μέσα από την περιοχή μονάδας. Η ένταση των συνεχών ακτίνων Χ παραμένει μηδέν μέχρι ένα ορισμένο μήκος κύματος, το οποίο είναι γνωστό ως όριο μικρού μήκους κύματος ή ελάχιστο μήκος κύματος.

   Μόλις επιτευχθεί το όριο μικρού μήκους κύματος, η ένταση της ακτινοβολίας αυξάνεται γρήγορα με αύξηση του μήκους κύματος και φτάνει σε μια μέγιστη τιμή. Μετά από αυτό το σημείο, η ένταση μειώνεται ακόμη και όσο αυξάνεται το μήκος κύματος. Λαμβάνεται μια ανεστραμμένη καμπύλη σαν καμπάνα.

3. Η ένταση της ακτινοβολίας εξαρτάται από την τάση στο εσωτερικό του σωλήνα. Όταν αυξάνουμε την τάση στο εσωτερικό του σωλήνα, η ένταση της ακτινοβολίας αυξάνεται σε ένα δεδομένο μήκος κύματος. Επιπλέον, το όριο μικρού μήκους κύματος μετατοπίζεται σε χαμηλότερο μήκος κύματος, όπως και το μήκος κύματος στο οποίο παρατηρείται η μέγιστη ένταση.

Συμπέρασμα

Σε αυτό το άρθρο, μάθαμε ότι οι συνεχείς ακτίνες Χ είναι ένας τύπος ηλεκτρομαγνητικού κύματος με πολλές εφαρμογές, κυρίως στην απεικόνιση σώματος. Είδαμε επίσης πώς γίνεται η παραγωγή συνεχών ακτίνων Χ και τις ιδιότητες των συνεχών φασμάτων ακτίνων Χ. Έχουν πολλές πρακτικές εφαρμογές, με κύρια τη διάγνωση του σώματος. Χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση σωματικών τραυματισμών και χρησιμοποιούνται επίσης από οδοντιάτρους για να κάνουν σάρωση των δοντιών μας.