اشعه ایکس هسته ای

بعضی اتمهای رادیواکتیو، پرتو تشعشع می کنند؛ گاهی طول موج این اشعه به اندازه ای زیاد است که وارد قلمرو اشعۀ ایکس می شود. مثلاً ، هسته Fe 57 اشعه ای با طول موج = Ao 860/0 ، ایریدیوم ۱۹۱ اشعه ای با طول موج Ao 096/0 = منتشر می کند. استفاده از این منابع خیلی راحت است زیرا به منبع انرژی خارجی نیاز ندارند متاسفانه به علت تابش بسیار ضعیفی که دارند برای بیشتر کاربردهای اشعۀ ایکس، نمی توانند منابع مناسبی باشند.

اشعۀ ایکس کیهانی. منابعی از اشعۀ ایکس در جهان وجود دارند، ولی این اشعه ها در جو زمین جذب نمی شوند. با عصر ماهواره هاست که «اختر شناسی با اشعه ایکس « اختر شناسی با شاعه ایکس» آغاز به کار کرده است. اگر تا کنون ۵۰۰ منبع ردیابیو نشانه گذاری شده است، پیش بینی می شود که این تعداد به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد.

برخی ستارگان منابعی برای تشعشع سنکروترون هستند، علت ذرات بارداری است که مسیرهایشان به توسط میدانهای مغناطیسی به حالت انحنا درامده است. سازو کار دیگر «اثر کامپتن وارونه»۲ است: انرژی یک فوتون بر اثر برخورد با یک ذره، با سرعتی نزدیک به سرعت نور، زیاد می شود. ازسوی دیگر منابع پخشی شامل تشعشع حرارتی گازی است، که به علت دمای بسیار بالا ( K 106)ی آن، صدور اشعه ایکس تا قلمرو گسترش می یابد.

لیزر با اشعۀ ایکس. آزمایشهای متعددی انجام شده است؛ ولی دشواریهای دستیابی به لیزر، با کاستن طول موج، بسرعت زیاد می شود، و در آن لحظه، مسئله لاینحل باقی می ماند.
انواع مختلف پیداگرها را برای مطالعۀ خواص گوناگون اشعۀ ایکس به کار می برند، در حالی که همۀ توان یونندۀ این تشعشع منبعث و مشتقاز اتم خنثایی است، که بر اثر ضربه فوتون به یک یون مثبت و یک الکترون تجزیه می شود.

۱- عکاسی
فوتونهای ایکس، مانند فوتونهای نورانی، دربرومور نقره نامیز عکاسی،مولد جوانه های هستند که تحت تاثیر داروی ظهور عکاسی، به دانه های ریز نقره،که فیلم را سیاه می کند، تبدیل می شود میزان سیاه شدگی فیلم متناسب با حاصلضرب شدت نوردر زمان نور است ، البته تا موقعی که به حد اشباع نرسیده باشد. روی فیلمی که زیاد در معرض تابش نور نباشد، تغییر ساه شدگی، تغییر شدت پرتوهای رسیده به نقاط مختلف را بیان می کند. مرغوبیت یک نا میز عکاسی در آن است که هم از قدرت تفکیک و جداسازی خیلی خوب برخوردار باشد.

اما روش عکاسی اشکالات و معایبی هم دارد: نخست ضعف حساسیت پوسته است.برای درک میزان این حساسیت می توان در نظر گرفت که: فیلم برای سیاه شدگی قابل استفاده ، باید در هر ۲ m یک فوتون دریافت کند. برای افزایش حساسیت باید دانه ها درشت تر، ضخامت نامیز بیشتر و هر دو طرف فیلم آغشته به نامیز باشد.
۲-اطاق یونش
تابه های اشعه ایکس از اتاقی که از یک گاز مانند آرگون یا کسنون پر شده، و از بین دو صفحه ، که یکی از انها به زیمن و دیگری به یک پتانسیل چند صد ولت متصل شده، می گذرد. هنگامی که میدان الکتریکی کافی باشد، تمام الکترونهایی که از اتمهای یونیده به بیرون جهیده اند، به توسط صفحه جذب می شوند و جریان یونش، که برقرار می شود، متناسب با تعداد فوتونهای جذب شده در گاز است ( به همین جهت ترجیح داده می شوداز گاز کسنون که برای اشعه ایکس قابلیت جذب آن کم است، استفاده شود).

این جزیان در حدود ۸-۱۰ تا Ao 12- 10 می باشد. این کمیت با پیشرفت تکنولوژی فعلی براحتی قابل اندازه گیری است.
اتاقک یونش، نخستین ابزار اندازه گیری شدت اشعه ایکس بوده است (Bargg ،۱۹۱۲)، اما در حال حاضر شمارگرهای حساستر و راحت تر با آن به رقابت برخاسته اند.
۲- شمارگرهای فوتونها

شمارگرهای گایگر- مولر عبارت از استوانه ای به قطر ۲ تا ۳ سانتیمتر است، که یک رشته سیم بسیار نازک فلزی در طول محورش کشیده شده است. بین هر دو سر سیم اختلاف پتانسیل پیوسته ای از ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ ولت برقرار شده است، رشته فلزی آنود یا قطب مثبت را تشکیل می دهد.شمارگر از گازی با فشار کم پر شده است (مثلا از مخلوط آرگون – متان با فشار CmHg 10 ) . از دریچه ای که از اشعه ایکس شفاف باشد،با تابه ای، خیلی نزدیک به رشتۀ مرکزی، می گذرد.
هنگامی که یک فوتون ایکس یک اتم گاز را پوشیده می کند، الکترون آزاد شده، بر اثر میدان

الکتریکی خیلی شدید موجب در طرف دیگر رشته، شتابدار شده، به نوبۀ خود دیگر اتمها را یونیده می کند: به این ترتیب یک تخلیه الکتریکی به راه می افتد، که برای ترکیبات مناسب جو، خود به خود متوقف می شود. ضربۀ الکتریکی به آسانی ثبت شده است: بنابراین می توان فوتونها را تک تک شمرد و شمارۀ آنها را نمایان ساخت.

۳- پیداگری به وسیلۀ فلوئورسانس
پاره ای اجسام که در معرض تابش اشعۀ ایکس قرارمی گیرند، نور قابل رویت از خود صادر می کنند؛ مثلاً پلاتینوسیانور باریوم نور قابل رویت سبز دارد، سولفور روی که بر اثر ناخالصیهای مناسبی فعال شده باشد، نور قابل رویت آبی دارد.فوتونهای ایکس، برخی اتمها یا مولکولها را تحریک می کنند، که هنگام بازگشت به حالت بنیادی (=حالت قبل از تحریک) فوتونهای نورانی یا فوق بنفش صادر می کنند. از این پدیده نورافشانی در پیداگرهای گوناگونی استفاده شده است.

رادیو سکوپی. یک صفحه رادیوسکوپی، از یک مقوا که با لایه ای از مادۀ فلوئورسان پوشیده شده باشد، تشکیل شده است. در این صفحه که در معرض تابش یک تابۀ اشعه ایکس قرار گرفته، سایه ای کم و بیش تاریک، از اشیایی که بین منبع اشعه ایکس و صفحه رادیو سکوپی واقع شده اند،ظاهر می شود. شدت تاریکی سایه به میزان جذب کنندگی نقاط مختلف اشیاء ( بین منبع و صفحه) بستگی دارد. این تکنیک که در مورد آزمایشهای پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است، فقط جنبه کیفی دارد و تنها در تاریکی می تواند مورد بهره برداری قرار گیرد.

شماره گر چشمک زن. اگر یک فوتون ایکس، در بلور یدور سودیوم (Nal) که با افزودن ناخالصی تالیوم فعال شده، جذب شود، یک جرقه ایجاد می کند: چون بلور
شفاف است، این علامت می تواند به توسط یک چشم الکترونی که پشت بلور واقع شده، ثبت شود. و به یک ضربه الکتریکی ( تکانه) تبدیل شده به دستگاه شمارش فرستاده شود. این است مبنای شمارگر چشمک زن که دارای پاره ای مزایا ست.

۵- پیداگرهای با اثر نورا برقی
اگر تابه اشعه ایکس بر روی یک سطح جامد، مثلا فلزی برخورد کند، اتمهای سطحی که یونیده شده اند الکترونهایی پخش می کنند، که انرژی حرکتی بعضی از انها زیاد است. همچنین اگر یک ورقه سرب پشت ورقۀ عکاسی گذاشته شده باشد، این ورقه سربی اثرصفحۀ تقویت کننده را خواهد داشت، زیرا نامیز به توسط الکترونهای فتوالکتریک ، که ورقه سربی آنها را پس زده متاثر شده است.

«تقویت کننده تصویر» عبارت از یک لوله الکترونی است که وجه مقدم آن فوتوکاتودی است که در معرض تابش اشعه ایکس قرار گرفته و الکترونهای نوری به طرف داخل صادر می کنند. این الکترونها، به توسط ولتاژ بالایی که به لوله داده شده، شتابیده شده اند و، از سوی دیگر این الکترونها، بر روی یک صفحۀ فلوئورسان که در پشت تقویت کننده واقع است، متمرکز شده اند. به این ترتیب بسیار درخشانتری از رادیوسکوپی مستقیم به دست می آید، این تصویر را حتی در یک سالن بسیار روشن می توان دید، و یا حتی از آن عکسبرداری کرد.
۶

 

– پیداگرهای نوین
در حال حاضر مجموعۀ گوناگون و گسترده ای از پیداگرها تهیه شده است، این مجموعه از پوسته عکاسی ساده تا شمارگرهایی را شامل می شود که عملا به آخرین حد حساسیت خود رسیده اند و می توانند تقریباً همه اشعه ایکس دریافت شده را ثبت نمایند.
با وجود این در طی سالهای اخیر دستگاههای پیداگری ارائه شده است که به روش قابل ملاحظه ای سرعت دریافت داده ها در مورد آنها زیاد شده و به این ترتیب راه کاربردهای نوین اشعۀ ایکس گشوده شده است. اساس این پیداگرها مبنی بر ثبت «داده های دیگر» و، در عین حال، تعداد فوتون دریافت شده است.

 

اینک خواصی از اشعه ایکس را از نظر خواهیم گذراند که با مبانی فیزیکی پدیده ها و کاربردهای اشعه ایکس در ارتباط است.
به طور دقیق، جذب که به توسط «ضریب جذب » اندازه گیری شده است، عبارت از استهلاک نسبی شدت در یک صفحۀ خیلی نازک به جرم واحد سطح می باشد.
dm Dm(g/cn2):dI/I= –
بنابراین شدت منتقل شده، به صفحه ای به جرم سطحی m ، از رابطۀ زیر بدست می آید:
I=Ioexp(- m)

از ضریب خطی جذب که مربوط به ضخامت صفحه ،x ، است نیز استفاده می شود و رابطه آن به صورت زیر است:
I=Ioexp(- x)
به آسانی ثابت می شود که است. جرم حجمی صفحه، بر حسب g/cm3 است.
ضریب جذب شامل دو جز است، جزء اول آن معرف جذب واقعی (یا نورابرق) است. و جزء دوم کاهش (شدت) بر اثر پراکندگی می باشد.
اساس پدیدۀ جذب واقعی مربوط به تاثیر فوتونهای ایکس بر روی الکترونهای اتمی بویژه بر

الکترونهای لایه های داخلی است. از آنجا که حالت الکترونهای داخلی به پیوندهای شیمیایی بین اتم و اتمهای مجاورش بستگی ندارد بنابراین با یک تقریب خیلی خوب رفتاراتمها به گونه ای است که گویا جدا از یکدیگرند جذب یک جسم مرکب صرفاٌ مجموعه ی جذب اتمهای سازای آن جسم است به طور کلی می بینیم که جذب اشعه ی ایکس باجذب اشعه نور متفاوت است: سرب، بلور، و فلزدر برابراشعه ایکس تاثیر همانندی دارند.

هر ماده ای که در معرض تابش یک تابع اشعۀ ایکس قرار گیرد، تشعشعی با همان

طول موج، یا با طول موجی خیلی نزدیک به آن، در همه جهات صادر می کند: این پدیده پخش نام دارد.
به طور کلی تشعشع پخش شده نسبتاً ضعیف است، با اینهمه از چند نقطه نظر حائز اهمیت می باشد: در بدو امر، این پدیده مبنای کاربرد اصلی اشعۀ ایکس در آزمایشگاهها و پراش به توسط بلورهاست؛ از سوی دیگر، از نقطه نظر اساسی، وجود «فوتون» در این پدیده به طور تجربی کاملاً مشهود و نمایان است.
۱- پخش به توسط یک الکترون آزاد

نظریه های کلاسیک و کوانتومی برای مسئله دو راه حل کاملاً متمایز ارائه می دهند.
نظریه کلاسیک تامسن. تحت تاثیر میدان الکتریکی موج تابشی، الکترون شروع به ارتعاش کرده، در نتیجه موجی صادر می کند، که معادلات بر قاطیسی کلاسیک دامنه و چگونگی پخش آن را در فضا معین می کند. این موج پخش شده همان «بسامد» (فرکانس) موج محرک، وفازی پیوسته دارد.
پخش کامپتن یا نا پیوسته. با توجه به اینکه پخش از « برخورد یک فوتون بر روی یک الکترون» ناشی شده است؛ فوتون پس از برخوردف منحرف می شود و الکترون عقب نشینی می کند(شکل ۴)، انرژی فوتون پخش شده، به علت واگذاری مقداری از انرژی خود به الکترون کم شده است.

بنابراین پخش همراه با «افزایش طول موج» پیش بینی می شود؛ از سوی دیگر هیچ رابطه فازی بین اشعۀ تابشی و پخش شده وجود ندارد: پخش ناپییوسته است.
فرآیند شبیه به برخورد کشسان (الاستیک) دو ذره در مکانیک است: بنابراین این فرآیند بقای انرژی و بقای اندازه حرکت دستگاه فوتون الکترون را محقق می سازد.معادلات مکانیک (نسبیتی) «اگر تغییرات نسبی طول موج به حد کافی ضعیف باشد» به صورت:

است، یا طول موج کامپتن برابر است با A o024/0 و ۲ زاویه پخش است. افزایش طول موج به طول موج تابشی بستگی ندارد؛ ولی هنگامی که زاویه پخش از ۰

تا ۱۸۰ درجه تغییر کند، افزایش طول از ۰ تا A o 048/0 تغییر خواهد کرد. بنابراین آهنگ افزایش طول برای اشعه ایکس با طول موج بالاتر از A o 1 ، نسبتاً ضعیف است ولی برای اشعه ایکس سخت، مهم است.
۳- پخش به توسط یک اتم منفرد
آزمایش کامپتن ثابت کرده است که علاوه بر تشعشع تغییر یافته، تشعشع پخش شده ای با طول موج تغییر نیافته هم وجود دارد. این امر از نظریه پخش، به توسط اتم، با z الکترونش در حالتهای پیوندی، بخوبی نتیجه می شود. نتایج اصلی آن از اینقرارند:
کسر پیوسته. امواج امواج پیوسته ای که به توسط z الکترون پخش شده تداخل می کنند: شدت موج منتجه برابر با f2Ie است؛ Ie بنابر نظریه تامسن شدت پخشبه توسط یک الکترون آزاد و « f ضریب پخش اتمی است»: این ضریب تابع زاویه پخش ۲(یا به عبارت دیگر ) است، و بنابر چگالی الکترونی در اتم، که شده به توسط مکانیک کوانتومی به سدت آمده، محاسبه می شود. ضریب پخش با زاویه پخش به ازای اندازه z برای زاویه صفر به بعد کم می شود. شکل ۵ دو نمونه از
آن را – برای یک اتم سنگین، Hg ، و یک سبک، -Na+ نشان می دهد.

کسر ناپیوسته. شدت پخش به وسیله یک الکترون که با تغییر طول موج همراه است با زاویه پخش زاید می شود، به طوری که اندازه اش به ازای زاویه پخش صفر است. و به ازای اندازه های بزرگ طبق نظریه تامسن به سمت شدت پخش الکترون آزاد میل می کند. چون امواج پخش شده به توسط الکتورنهای مختلف اتم (بدون پیوند) گسسته اند، شدتشان بسادگی با یکدیگر جمع می شود، بنابراین شدت ماکزیمم z برابر شدت تامسن است.

اختلاف طول موج همان اختلافی است که نظریه کامپتن پیش بینی کرده است. با این تفاوت که: به علت اندازه حرکت الکترون پخش کننده، طیف تشعشع کامپتن، در اطراف اندازۀ داده شده به توسط فرمول کامپتن، پهنتر شده است.
اگردو نمونه پخش با یکدیگر مقایسه شود، دو حالت حد ساده آشکار می شود: برای اتمهای متوسط یا سنگین و پرتوهای طول موج Ao 1 با بیشتر پراکندگی کامپتن عملا در برابر پخش پیوسته (پیوند) قابل چشم پوشی است. برای عناصر سبک که در معرض تشعشع با طول موج کوتاه (کمتر از Ao 1/0 ) واقعند، پراکندگی پیوسته در برابر پراکندگی کامپتن قابل اغماض است. در وضعیتهای بینابین، هر دو نمونه پراکندگی با هم وجود دارد البته به نسبتی که به طول موج و به عدد اتمی عنصر پخش کننده بستگی دارد.
۳-پخش به توسط ماده
اکنون به حالت واقعی، مجموعه ای از اتمهای سازای یک قطعه ماده بر می گردیم. امواج پیوسته پخش شده به توسط هر اتم تداخل می کنند و«موج پراشی» را به وجود می آورند، که به وضعیت متقابل اتمها، یعنی به ساختمان اتمی ماده بستگی دارد.
بر عکس، امواج ناپیوسته پخش کامپتن تداخل نمی کنند و شدت کامپتن به طور ساده، مجموع شدتهای کامپتن همۀ اتمهاست.
نتیجه گیری
۱- در آزمایشهای پراش، با تشعشعهای با طول موجی در حدود Ao 1 ، زمینه پیسوته (نشری) پخش کامپتن همیشه ضعیف- و در بیشتر حالات حتی نا محسوس – است. این امر نمی تواند در مورد پراشهای با چگالی ضعیف، که به توسط ماده متشکل از عناصر سبک به وجود آمده، صادق باشد: هم چنین در یک نمودار سیلیس بی شکل که با تشعشع Mok گرفته شده، به سوی زاویه های بزرگ، تشعشع کامپتن ۴ بار از تشعشع پراشی شدیدتر است.

۲- در مورد پرتوهای «سخت» که پرتوافکن عناصر سبک هستند، پخش تقریبا به طور

کامل مربوط به اثر کامپتن است، شدتهای پخش شده می توانندحائز اهمیت باشند.