پرتو ایکس

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
چگونگی تولید اشعه ایکس
پرتو ایکس عضوی از طیف الکترومغناطیس می باشد، که دارای طول موج پایین تر از نور مرئی است. در کاربردهای متفاوت از طیفهای مختلف پرتو ایکس استفاده می گردد.

( X-radiation ) پرتو ایکس (پرتو رانتگن) نوعی از تابش الکترومغناطیسی با طول موج حدود ۰/۰۱ تا ۱۰ نانومتر معادل با ۳۰ پتاهرتز تا ۳۰ اگزاهرتز (۱۶ ۱۰×۳ تا ۱۹ ۱۰×۳ هرتز) و انرژی بین ۱۰۰ الکترون‌ولت تا ۱۰۰ کیلو الکترون‌ولت است. طول موج پرتو ایکس از طول موج پرتو فرابنفش پایین تر و از طول موج پرتوگاما بالاتر می باشد. نام دیگر اشعه ایکس، اشعه رانتگن می باشد، که این نام بر گرفته از نام شخصی به نام ویلهلم رونتگن، [۱] می باشد که کاشف این اشعه است. علت نام گذاری اشعه ایکس از طرف ویلهلم رونتگن نشان دادن کشف یک نوع اشعه ناشناخته بود،[۲] است. نحوه نگارش اشعه ایکس در زبان انگلیسی به سه روش انجام می پذیرد، که عبارت از x-ray ، xray و همچنین X ray می باشند.[۳] به پربو ایکس با فوتون های با انرژی بالا (بالای 5-10 Kev، و طول موج 0.1 تا 0.2 نانومتر) پرتو ایکس سخت و پرتوهای با انرژی پایین تر را پرتو ایکس نرم می گویند.[۴] بدلیل توان نفوذ بالای پرتو ایکس سخت به صورت گسترده برای تصویر برداری داخل اجسام برای مثال در پرتونگاری از اعضای بدن و همچنین قسمت امنیت فرودگاهها و به عنوان یکی از روش‌های تست غیرمخرب در تشخیص نقص‌های موجود در اشیای ساخته شده (مثلاً در لوله‌ها و...) مورداستفاده قرار می گیرد. از کلمه پرتو ایکس علاوه بر روش پرتو نگاری به کنایه برای عکس های پرتو نگاری شده به این روش نیز اطلاق می گردد.بدلیل اینکه طول موج پرتو ایکس سخت مشابه اندازه اتم ها می باشد، از کریستالوگرافی اشعه ایکس برای تعیین ساختار کریستالی استفاده می شود. در مقابل پرتو ایکس نرم به آسانی در هوا جذب می گردد; میزان عمق میرایی پرتو ایکس با قدرت 60eV در آب کمتر از یک میکرومتر می باشد. [۵] این تعریف ایرادات بسیاری دارد، از جمله آن: فرآیندهای دیگر امکان تولید فوتونهای با انرژی بالا هستند، و یا اینکه روش تولید شناخته شده نیست. یکی از روش های تشخ هیچ تعریف جامعی برای تمایز پرتوهای ایکس و گاما وجود ندارد. یکی از روشهای تعیین تمایز بین این دو پرتو بررسی منبع آن می باشد: پرتو ایکس از الکترونها ساطع می گردد، در صورتیکه منبع پرتو گاما هسته اتم می باشد. [۶] [۷] [۸] [۹] این نوع تعریف دارای اشکالات فراوانی می باشد، که برخی از آنها عبارتند از: اینکه در فرآیندهای دیگر نیز فوتونهای با انرژی بالا تولید می گردند، و یا اینکه روش تولیدهایی وجود دارد که شناخته شده نیستند. یک تعریف دیگر برای تشخیص تمایز پرتو گاما و پرتو ایکس بر اساس طول موج می باشد، پرتوهای دارای طول موجهای پایین، برای مثال 0.1 آنگستروم، در دسته بندی پرتو گاما قرار می گیرند. [۱۰] با این معیار در صورتیکه فقط طول موج مشخص باشد می توان فوتون را در یک دسته بندی مشخص قرار داد. (برخی روش های اندازه گیری قادر به تمیز دادن طول موجهای مختلف را ندارند.)با این حال، اغلب این دو تعریف با هم منطبقند زیرا پرتو الکترومغناطیس ساطع شده از تیوب های پرتو ایکس دارای طول موج بلندتر و انرژی فوتون پایین تری از پرتو های ساطع شده از هسته های پرتوزا می باشند. [۱۱] گاهی اوقات، یکی از این دو تعریف در زمینه های خاص بر اساس سوابق تاریخی، یا بر اساس تکنیکهای اندازه گیری (تشخیص) و یا بر اساس نوع مصرف آن به غیر از طول موج و منبع مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، پرتو گاما مورد استفاده در امور پزشکی و صنعتی، بعنوان مثال برای پرتو درمانی، دارای طول موج 6-20MeV می باشد، که در متن حاضر می توان آن را دسته پرتو ایکس قرار داد.

خواص[ویرایش]

نماد خطر پرتو یونیزه کننده

فوتونهای پرتو ایکس دارای انرژی لازم برای یونیزه کردن اتمها و شکستن پیوند اتمی هستند. این خاصیت پرتو ایکس را در طبقه بندی پرتوهای یونیزه کننده قرار می دهد، و به همین دلیل برایبافت های زنده مضر می باشد. قرار گرفتن در معرض دوز تابش در مقادیر بالا در یک دوره زمانی کم باعث ایجاد بیماریهای حاصل از تشعشع می گردد، و در عین حال قرار گرفتن در معرض دوز تابش در مقادیر پایین ریسک ابتلا به سرطان های ناشی از تشعشع را بالا می برد. در تصویربرداری پزشکی این افزایش خطر ابتلا به سرطان در مقابل فواید استفاده از این روش برای تشخیص پزشکی، قابل چشم پوشی است. از قابلیت یونیزه کردن اشعه ایکس می توان در درمان سرطان استفاده کرد، که در این روش پرتو درمانی از پرتوایکس برای کشتن سلول های بدخیم سرطانی استفاده می شود. همچنین ازطیف سنجی پرتو ایکس برای تعیین خصوصیات مواد استفاده می گردد.

طول میرایی پرتو ایکس در آب نشانگر حد جذب اکسیژن در ان در سطح انرژی 540eV می باشد. طول میرایی برای پرتو های سخت (نیمه راست نمودار) حدود چهار برابر طول میرایی پرتوهای نرم ( نیمه چپ نمودار) می باشد.

پرتو ایکس سخت می تواند بدون اینکه جذب یا پراکنده شود از اشیاء ضخیم عبور کند. به همین دلیل از پرتو ایکس سخت برای تصویربرداری از داخل اشیاء که رویه مات دارند استفاده می شود. کاربردهای بیشتر دیده شده آن عبارتند از رادیوگرافی پزشکی و اسکنرهای امنیتی فرودگاهها، در عین حال از تکنیک مشابه در صنعت ( برای مثال رادیوگرافی صنعتی و سی تی اسکن صنعتی) و همچنین تحقیقات ( برای مثال سی تی حیوانات کوچک) استفاده می شود.عمق نفوذ پرتو ایکس با تغییر مرتبه بزرگی در طول طیف آن تغییر می کند. این موضوع تنظیم انرژی فوتون برای کاربردهای مختلف را امکان پذیر می نماید، که خود این موضوع باعث انتقال کافی پرتو از داخل جسم می گردد و مبتلا به آن تصویر خوب با کنتراست بالا ایجاد می گردد.

واکنش با مواد[ویرایش]

واکنش پرتو ایکس از سه راه صوزت می گیرد که عبارتند از: اثر فوتوالکتریک، اثر کامپتون و پراکندگی رایلی. قدرت هر یک از این واکنش ها بستگی به انرژی پرتو ایکس و ترکیبات عنصری مواد دارد، ولی بدلیل اینکه انرژی فوتون های پرتو ایکس از انرژی پیوندهای شیمیایی بالاتر است، خواص شیمایی ماده در آن اثری ندارد. مکانیزم واکنشی غالب در رژیم پرتو ایکس نرم و پرتو ایکس سخت با انرژی پایین اثر فوتوالکتریک می باشد. برای رده انرژهای بالا مکانیزم غالب، مکانیزم اثر کامپتون می باشد.

جذب فوتوالکتریک[ویرایش]

احتمال ایجاد جذب فوتو الکتریک در واحد جرم با میزان 'Z3/E3 متناسب می باشد، که در آن Z عدد اتمی و E انرژی فوتون می باشند.[۱۲] این قانون در لایه درونی انرژی پیوند الکترون ها، جاییکه احتمال واکنشها دچار تغییرات ناگهانی می شوند، معتبر نیست، به همین خاطر به آن حد جذب گفته می شود.هر حال، رویه کلی غالب برای فوتون های کم انرژی و عددهای اتمی بالا، ضریب جذب بالا و عمق نفوذ کم می باشد.در مورد بافتهای نرم تا محدودوه انرؤی فوتون 26eV پدیده غالب اثر فوتوالکتریک است ولی از این محدوده به بالا اثر کامپتون فعال می گردد. برای عناصر با عدد اتمی بالاتر این محدوده بالاتر می رود. میزان بالای کلسیوم در استخوانها و آرایش چگال آن باعث می شود، استخوانها در تصاویر رادیوگرافی به وضوح نمایان گردند. فوتون فوتوالکتربک انتقالب همه انرژی خود را به الکترونی که با آن واکنش می دهد، منتقل می نماید، این امر باعث یونیزاسیون اتمی که الکترون به آن متعلق است می گردد و یک فوتو الکترون ایجاد می کند که تمایل ریادی به یونیره کردن اتمهای در سر راه خود دارد. یک الکترون بیرونی جای خالی الکترون را پر می کند و خواص فوتون و یا الکترون اوژه را ایجاد می کند. از این آثار می توان تعیین نوع عناصر توسط روشهای طیف سنجی پرتو ایکس و یا طیف سنجی الکترون اوژه استفاده نمود.

اثر کامپتون[ویرایش]

اثر کامپتون مکانیزم واکنش غالب بین پرتو ایکس و بافتهای نرم در تصویر برداری پزشکی می باشد.[۱۳] پراکندگی کامپتون، پراکندگی ناکشسان یک فوتون توسط یک ذره بادار و معمولاً الکترون است و باعث کاهش انرژی (کاهش طول موج) فوتون (که ممکن است یک پرتو ایکس یا پرتو گاما باشد) می‌شود که به اثر کامپتون مشهور است. قسمتی از انرژی فوتون به الکترونهای در حال پراکنش منتقل می گردد، در نتیجه اتمها را یونیزه کرده و باعث افزایش طول موج پرتو ایکس می گردد. فوتون پراکنش شده در هر مسیری می تواند حرکت کند ولی مسیر اولیه آن مخصوصا در مورد پرتوهای ایکس با انرژی بالا محتمل تر می باشد. احتمال زوایای مختلف پراکنش توسط فرمول کلین - نیشینا( Klein–Nishina formula) محاسبه مب گردد. انرژی انتقالی مستقیما از زاویه پراکنش از قانون پایستگی انرژی و تکانه بدست می آید.

پراکندگی رایلی[ویرایش]

پراکندگی رایلی مکانیزم پراکنش الاستیک غالب در رژیم پرتو ایکس می باشد. [۱۴] پراکندگی های پیش رو غیر الاستیک باعث افزایش ضریب شکست می گردند، که برای پرتو ایکس پایین تر از 1 می باشد. [۱۵]

تولید[ویرایش]

هر زمان که ذرات باردار (الکترونها یا یون) با انرژی کافی به مواد برخورد نمایند، اشعه ایکس تولید می شوند.

تولید از طریق الکترون ها[ویرایش]

خواص خطوط تابش پرتو ایکس بر اساس مواد مورد استفاده برای آند .[۱۶][۱۷]
Anode
material
Atomic
number
Photon energy [keV] Wavelength [nm]
Kα1 Kβ1 Kα1 Kβ1
W 74 59.3 67.2 0.0209 0.0184
Mo 42 17.5 19.6 0.0709 0.0632
Cu 29 8.05 8.91 0.157 0.139
Ag 47 22.2 24.9 0.0559 0.0497
Ga 31 9.25 10.26 0.134 0.121
In 49 24.2 27.3 0.0512 0.455
Spectrum of the X-rays emitted by an X-ray tube with a rhodium target, operated at 60 kV. The smooth, continuous curve is due to bremsstrahlung, and the spikes are characteristic K lines for rhodium atoms.

در این روش از تولید پرتو ایکس از[تیوب پرتو ایکس] استفاده می شود، که این تیوب یک [لوله تحت خلا] می باشد که در آن به [الکترون ها] تولیدی توسط یک [کاتد داغ] شتاب داده شده تا به سرعت بالا برسند. الکترون های با سرعت بالا پس از برخورد به مانع فلزی که همان [آند] می باشد، پرتو ایکس را ایجاد می نمایند. در کاربردهای بهداشتی مانع هدف در تیوب معمولا از جنس [تنگستن] و یا جنس آلیاژ مقاوم به ترک [رنیوم] (5%) و تنگستن (95%) می باشد، ولی در برخی کاربردهای خاص که به پرتو ایکس نرم نیاز است مانند [ماموگرافی] از [مولیبدن] استفاده می شود. در [کریستالوگرافی] استفاده از مانع هدف [مسی] بسیار معمول است، و در برخی مواقع که فلورسنت موجود در [آهن] باعث اشکال می شود از [کبالت] استفاده می شود. انرژی ماکریموم [فوتون] پرتو ایکس محدود به انرژی برخورد الکترون می باشد، که برابر است با ولتاژ شارژ شده در تیوب ضرب در بار الکترون، پس در نتیجه یک تیوب 80KV نمی تواند پرتو ایکس با انرژی بالاتر از 80KeV تولید نماید. زمانیکه الکترون به هدف برخورد می کند، پرتو ایکس از طریق دو فرآیند اتمی متفاوت ایجاد می گردد، که عبارتند از.

  1. Characteristic X-ray emission یا X-ray fluorescence: در صورتیکه الکترون ها انرژی کافی داشته باشند، می توانند به الکترون های اربیتی خارج از [پوسته الکترونی] یک اتم فلز برخورد نموده و در نتیجه الکترونها دارای درجات بالاتر انرژی جاهای خالی را پر کرده و فوتون پرتو ایکس منتشر می گردد. این فرایند باعث ایجاد [طیف گسیلی] پرتو ایکس در فرکانسهای نا پیوسته می گردد، که بعضی اوقات به آن خط طیف نوری گفته می شود. این خطوط بر اساس جنس ماده هدف به کار رفته در فرآیند ایجاد می شوند و به همین خاطر به این خطوط ، خطوط خواص نیز گفته می شود. معمولا این انتقالات از لایه های بالا به پوسته های L و K می باشد.
  2. تابش ترمزی: مکانیزم تولید به این روش، تاثیر میدان مغناطیسی قوی بر راستای z هسته الکترونها پراکنده شده می باشد. این نوع پرتو ایکس دارای [طیف پیوسته] می باشد. شدت پرتو ایکس به طور خطی با کاهش فرکانس افزایش می یابد.

هر دو این روش های تولید دارای راندمان کم نزدیک به یک درصد می باشند، و بیشتر انرژی الکتریکی مصرفی تیوب به صورت گرما هدر می رود. زمانیکه فلاکس پرتو ایکس قابل استفاده ای تولید می شود باید در نظر داشت، که تیوب پرتو ایکس باید طوری طراحی شود که این گرمای اضافی را پراکنده سازد.

تولید به روش یونهای پرسرعت مثبت[ویرایش]

پرتو ایکس را می توان با استفاده از پروتونها پر سرعت و یا یونهای مثبت دیگر ایجاد نمود. از پرتو ایکس حاصل از تحریک پروتون و یا پرتو ایکس حاصل از ذرات تحریک شده به طور گسترده به عنوان یک روش تحلیل مورد استفاده قرار می گیرند. در انرژی های بالا، [سطح مقطع] تولید متناسب است با Z12Z2−4 که در آن Z1 عدد اتمی یون و Z2 [عدد اتمی] هدف می باشد. [۱۸]



تاریخچه[ویرایش]

تصویر دست همسر رونتگن در سال ۱۸۹۶

پرتو ایکس در سال ۱۸۹۵ توسط ویلهلم رونتگن، فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن، پرتو ایکس نامیده شد. یعنی با قرار دادن آن در میدان‌های مغناطیس و الکتریکی به هیچ وجه منحرف نمی‌شود. این پرتو قدرت نفوذ بسیاری دارد و تقریباً از هر چیزی به جز استخوان و فلز (اوربیتال d) می‌گذرد. اولین عکس پرتو ایکس از دست همسر رونتگن گرفته شد که انگشتر او به خوبی در عکس مشخص است. این گمان که پرتوهای ایکس، امواج الکترومغناطیس با طول موج بسیار کوتاه هستند، به کمک یک آزمایش پراش دوگانه که در سال ۱۹۰۶ توسط سی. گ. بارکلا انجام گرفت، تأئید شد.

اثبات قطعی ماهیت موجی پرتو ایکس در سال ۱۹۱۲ به وسیلهٔ فون لاوه ارائه شد.

وی اولین جایزه فیزیک نوبل را در سال ۱۹۰۱ گرفت.

انواع پرتو ایکس[ویرایش]

روش‌های تولید[ویرایش]

Roentgen-Roehre.svg

در هنگام برخورد الکترونهای با سرعت بالا به فلزات، الکترون‌های لایه‌های پایین‌تر به لایه‌های بالاتر منتقل شده (اتم‌ها برانگیخته می‌شوند) و در هنگام برگشت الکترون‌ها به حالت پایه انرژی مازاد را به صورت پرتو ایکس گسیل می‌کنند. بنابراین هر لامپ تولید پرتو ایکس باید شامل:

  • منبع الکترون
  • میدان شتاب‌دهنده به الکترونها
  • هدف فلزی

باشد. به علاوه از آنجایی که قسمت عمدهٔ انرژی جنبشی الکترونها هنگام برخورد به فلز هدف، به حرارت تبدیل می‌شود، معمولاً فلز هدف را با آب خنک می‌کنند تا ذوب نشود.

لامپ‌های گازی[ویرایش]

این لامپ‌ها همانند لامپ پرتو ایکس اولیه‌ای هستند که رونتگن ساخته بود و امروزه چندان کاربردی ندارند. در این لامپ‌ها الکترون از یونش مقدار اندکی گاز موجود در لامپ تقریباً تخلیه شده به وجود می‌آید.


ایمنی[ویرایش]

پرتو ایکس برای انسان بسیار خطرناک است و می‌تواند آسیب‌های زیستی قابل توجهی را پدید آورد. این آسیب‌ها در انسان شامل سوختگی، بیماری ناشی از دریافت تابش بیش از حد و اثرات ژنتیکی می‌باشند.

منابع[ویرایش]

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray#cite_note-1
  2. Novelline, Robert (1997). Squire's Fundamentals of Radiology. Harvard University Press. 5th edition. ISBN 0-674-83339-2.
  3. "X-ray". Oxford English Dictionary (3rd ed.). Oxford University Press. September 2005. (Subscription or UK public library membership required.).
  4. David Attwood (1999). Soft X-rays and extreme ultraviolet radiation. Cambridge University. p. 2. ISBN 978-0-521-65214-8.
  5. "Physics.nist.gov". Physics.nist.gov. Retrieved 2011-11-08.
  6. Grupen, Claus; G. Cowan; S. D. Eidelman; T. Stroh (2005). Astroparticle Physics. Springer. p. 109. ISBN 3-540-25312-2.
  7. L'Annunziata, Michael; Mohammad Abrade (2003). Handbook of Radioactivity Analysis. Academic Press. p. 58. ISBN 0-12-436603-1.
  8. Feynman, Richard; Robert Leighton; Matthew Sands (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol.1. USA: Addison-Wesley. pp. 2–5. ISBN 0-201-02116-1.
  9. Denny, P. P.; B. Heaton (1999). Physics for Diagnostic Radiology. USA: CRC Press. p. 12. ISBN 0-7503-0591-6.
  10. Hodgman, Charles, ed. (1961). CRC Handbook of Chemistry and Physics, 44th Ed. USA: Chemical Rubber Co. p. 2850.
  11. Denny, P. P.; B. Heaton (1999). Physics for Diagnostic Radiology. USA: CRC Press. p. 12. ISBN 0-7503-0591-6.
  12. Bushberg, Jerrold T.; Seibert, J. Anthony; Leidholdt, Edwin M.; Boone, John M. (2002). The essential physics of medical imaging. Lippincott Williams & Wilkins. p. 42. ISBN 978-0-683-30118-2.
  13. Bushberg, Jerrold T.; Seibert, J. Anthony; Leidholdt, Edwin M.; Boone, John M. (2002). The essential physics of medical imaging. Lippincott Williams & Wilkins. p. 38. ISBN 978-0-683-30118-2.
  14. "RTAB: the Rayleigh scattering database". Lynn Kissel. 2000-09-02. Retrieved 2012-11-08.
  15. David Attwood (1999). "3". Soft X-rays and extreme ultraviolet radiation. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-65214-8.
  16. "X-ray Transition Energies Database". NIST Physical Measurement Laboratory. 2011-12-09. Retrieved 2016-02-19. 
  17. "X-Ray Data Booklet Table 1-3". Center for X-ray Optics and Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory. 2009-10-01. Archived from the original on 23 April 2009. Retrieved 2016-02-19. 
  18. Helmut Paul and Johannes Muhr, Physics Reports 135 (1986) pp. 47–97
  • American National Standard: Radiational Safety in X-Ray Diffraction and Fluorescence Analysis Equipment National Bureau of Standards Handbook, 1972.
  • Cullity, B.D., Elements of X-Ray Diffraction, Addison-Wesley, 1978.

پیوندهای مفید به بیرون[ویرایش]

نگارخانه[ویرایش]

جستارهای وابسته[ویرایش]