اشعه ايكس، شكلي ديگر از نور

در سال ۱۸۹۵ يك فيزيكدان آلماني به نام ويلهِلم روئنتگن شكل جديدي از پرتو را كشف نمود.وي آن را اشعه‌ي ايكس ناميد كه برناشناخته بودن آن تاكيد ورزد.اين پرتوي اسرار آميز قابليت عبور از بسياري مواد كه نور مرئي را جذب مي كنند٬ داشت. همچنين اشعه‌ي ايكس قدرت جداسازي الكترون‌هاي آزاد اتم را دارد. بيش از سال ها٬ اين خصوصيات استثنايي٬ اشعه‌ي ايكس را در بسياري از زمينه ها مانند پزشكي و تحقيقات در مورد طبيعت اتم مؤثر ساخت. سرانجام اشعه‌ي ايكس به عنوان شكل ديگري از نور معرفي شد .

 

نور٬ حاصل از جهش ها ٬ ارتعاشات و بي نظمي كل ذرات مي‌باشد.نور مانند يك توله سگ سرزنده است كه نمي‌تواند ساكن باشد.صندلي كه شما روي آن نشسته‌ايد در نگاه و احساس غير متحرك به نظر مي رسد.اما اگر شما بتوانيد از ديد اتمي به آن نگاه كنيد خواهيد ديد كه اتم ها و مولكول ها در حال ارتعاشند.صدها ترليون مرتبه در ثانيه ارتعاش به هم برخورد مي‌كنند. در حاليكه سرعت به دور گشتن الكترون ۲۵۰۰۰مايل در ساعت است.وقتي ذرات باردار برخورد مي‌كنند بر اثر تغييرات ناگهاني حركتشان يك بسته انرژي توليد مي‌كنند كه فوتون ناميده مي‌شوند. فوتون ها با سزعت نور دور مي‌شوند.در واقع آن ها نور يا امواج الكترومغناطيس هستند براي شروع يك استفاده فني.
تا اين زمان الكترون‌هاي باردار تنها ذره‌هاي شناخته شده هستند كه داراي بيشترين ناآرامي هستند و بنابراين عامل توليد بسياري از فوتون‌هاي جهان مي‌باشد.

اشعه X مي تواند به واسطه برخورد بين يك الكترون و يك پروتون پر سرعت توليد شود.
نور مي‌تواند شكل‌هاي مختلفي داشته باشد.امواج راديويي ٬ امواج ميكرو ٬ فروسرخ٬مرئي٬بسيار درخشان ٬اشعه‌ي ايكس و امواج گاما شكل‌هاي مختلف نور هستند. امواج راديويي از فوتون هاي كم انرژي ساخته شده‌اند.فوتون‌هاي بصري تنها فوتون‌هايي هستند كه به وسيله چشم ديده مي‌شوند.اين پرتوها ميليون‌ها بار از پرتوهاي راديويي معمولي پر انرژي تر هستند.انرژي پرتوهاي ايكس صد تا هزار برابر بيشتر از فوتون‌هاي مرئي مي‌باشند.سرعت ذرات هنگامي كه برخورد يا ارتعاش مي‌كنند يك محدوده را در انرژي فوتون‌ها به وجود مي‌آورند. هم چنين سرعت ٬ يك معيار اندازگيري دما نيز مي‌باشد.(در يك روز گرم ذرات موجود در هوا نسبت به يك روز سرد سريعتر حركت مي‌كند.)
دماهاي خيلي پايين (صدها درجه زير صفر سلسيويس) توليد امواج راديويي با انرژي كم و فوتون هاي امواج ميكرو مي نمايد٬ در حاليكه بدن سرد ما (در حدود ۳۰ درجه سلسيوس)توليد امواج مادون قرمز مي كند.دماهاي خيلي بالا (ميليون ها درجه سلسيوس)اشعه‌ي ايكس توليد مي‌كند.

گستره امواج الكترومغناطيس:طول موج پرتوهاي توليد شده به وسيله يك جرم معمولا مربوط به دماست.
هم چين خود فوتونها مي‌توانند با الكترون‌ها برخورد كنند.اگر الكترون ها بيشتر از فوتون ها انرژي داشته باشند٬ برخور مي‌تواند انرژي فوتون‌ها را افزايش دهد.در اين صورت فوتون‌ها با انرژي پايين مي‌توانند به فوتون ها با انرژي بالا تبديل شوند.اين فرايندپراكند

گي كامپتون(Compton scattering )خوانده مي شود. كه در مورد سياهچاله ها٬جايي كه ماده چگال مي شودو درجه حرارت ميليوني وجود دارد٬اين پديده اهميت مي يابد.فوتونهاي جمع آوري شده در فضا توسط تلسكوپ اشعه ايكس ٬ لكه هاي تاريك را آشكار ميسازد.مناطقي كه در آن ٬ذرات به واسطه انفجارهاي عظيم يا ميدان گرانشي شديد٬به دماهاي بالا برانگيخته ميشوند يا انرژي كسب مي كنند.

بازگشت پراكنده كامپتوني
اين شرايط در كجا وجود دارد؟
در يك تغيير شگفت آور مكان٬ در دامنه‌اي به وسعت فضاي وسيع بين كهكشان‌ها تا دنياي فروريخته و حيرت انگيز ستاره‌هاي نوتروني يا سياهچاله‌ها.

خطوط نشري و جذبي:
وقتي يك الكترون آزادبه وسيله ميدان الكتريكي يك پروتون يا يك اتم باردار(يون)شتاب داده مي‌شود فوتون هاي ساطع شده مي‌تواند يك دامنه گسترده از انرژي را بوجود آورند.انرژي‌ها وابسته به سرعت حركت الكترون‌ها و ميزاني كه شتاب به آن‌ها داده شده است مي‌باشند.انرژي فوتون هاي توليد شده تحت اين فرايند طيف پيوسته خوانده مي‌شود و مي‌تواند به صورت يك منحني پيوسته ترسيم شود.در مقايسه٬ اگر الكترون در حال گردش به دور هسته يك اتم خنثي يا باردار باشد٬طيف به صورت يك سري رأس هاي نوك تيز يا خطوط در مي آيد و اين به خاطر تطابق گردش الكترون ها در اتم با نظريه كوانتم است.اين گردش ها٬ يا بطور دقيق تر٬اين سطوح انرژي ٬به واسطه مقدار انرژي كه دارند مجزا مي شوند ٬درست همانند جدا شدن پله ها به واسطه بلنديشان .همان طور كه شما نمي توانيد در موقيتي مابين گام هاي پله اي گامي برداريد ٬الكترون در اتم نمي تواند بين دو سطح انرژي قرار بگيرد.اتم براي هر عنصري مثل اكسيژن ٬كربن و … سطح انرژي منحصر به خود دارد.

طيف NGC4151 منتقل شده با انرژي بالا توسط چندرا
مطالعه دقيق انرژي فوتون هاي ساطع يا جذب شده به وسيله ذرات يك اتم يك طرح كلي را براي حالت انرژي آن اتم ارائه مي دهد.با دانستن اين طرح كلي و گسترده انرژي ستاره شناسان قادرند در امواج ساطعه از ستارگان و گازها ٬به محاسبه مقدار هر عنصر اقدام كنند .در اين صورت ستاره شناسان مي توانند تعيين كنند كه ستاره ها بيشتر از هيدروژن با مخلوطي از هليم و همچنين عناصر سنگين تر مانند كربن٬نيتروژن و اكسيژن و مانند ان تشكيل شده اند.
به طور طبيعي الكترون در اتم در پايين ترين سطح انرژي(در پايين پله ها)قرار دارد.اما اگر اتم در اثر برخورد با يك الكترون آزاد يا يك اتم ديگر يا يك فوتون برانگيخته شود٬ پايين ترين سطح انرژي اشغال نخواهد شد.

انتشار اتمي
يكي از الكترون ها چرخنده به سرعت به اين سطح مي جهد و در بازگشت٬ انرژي در فرم فوتون مخصوص به آن سطح انرژي آزاد مي كند. اين فوتون خطوط گسيلش يك طيف را بالا مي برد.يك

گاز داغ متشكل از اتم ها يك طيف مركب از خطوط گسيلش را بيرون مي برد كه اين طيف بر اساس عناصر موجود در گاز مي باشد.فرايندي عكس اين هم مي تواند رخ دهد .اگر جرياني از فوتون ها به يك گاز برخورد كند ٬آن دسته از فوتونهايي كه انرژيشان با انرژي اتم هاي موجود در گاز مطابقت مي كند٬توسط گاز جذب مي شود. اين فرايند سري خطوط جذبي گاز را افزايش مي دهد.

پرتوهاي سيكلوترن(Synchrotron)
سوپرنوا٬اما اين كل داستان نيست. اشعه‌ي ايكس مي تواند تحت شرايط ديگر نيز به وجود آيد.

زماني كه فيزيكدانان با اولين ذرات الكتروني كار مي كردند٬ كشف نمودند كه الكترون ها بدون هيچ گونه برخورد مي توانند فوتون توليد كنند. اين امكان وجود داشت زيرا ميدان مغناطيسي در شتاب دهنده ها باعث حركت سريع الكترون در يك مارپيچ تحت نيروي خطوط ميدان مغناطيسي مي شد. به اين فرايند پرتوهاي سيكلوترن گفته مي شد. اين ذرات كيهاني مانند الكترون ها مي توانند به واسطه ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي با سرعت هايي بالا٬ نزديك به سرعت نور٬ شتاب بگيرند. اين ذرات با انرژي بالا مي توانند فوتون هاي سيكلوترن با طول موجي بيشتر از امواج راديويي و انرژي مابين اشعه x و گاما توليد كند.

پرتوهاي سيكلوترن :الكترون هاي در حال حركت در ميدان مغناطيسي فوتون ها را ساطع مي كنند
پرتوهاي سيكلوترن ساطع شده از منابع كيهاني داراي يك طيف گسترده يا فوتون هاي پراكنده همراه با طيف انرژي هستند. انرژي اين پرتو٬ با سرعت كمتري نسبت به يك طيف ساطع شده از گاز داغ نزول مي شود. وقتي پرتوي سيكلوترن در پس مانده هاي ابرنواخترها٬ جت هاي كيهاني يا منابع ديگر مشاهده مي شوند٬ اطلاعاتي در مورد انرژي بالاي الكترون ها و ميدان مغناطيسي موجود به دست مي آيد.
طیف اشعه ایکس
اشعه تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس یک طول موج ندارد. بلکه شامل گستره‌ای از طول موجهاست. پرتوهای ایکس بوسیله دو نوع فرایند تولید می‌شوند:
شتاب منفی الکترونها در موقع برخورد با انتهای ماده هدف پرتوهای ایکسی با طول موجهای متفاوت تولید می‌کند. این پرتو “سفید” یا نوار پیوسته فرکانسها در طیف اشعه ایکس را به عنوان تابش ترمزی می‌شناسند.
• برخورد الکترون با اتم هدف موجب جابجایی الکترون مداری در اتم هدف و راندن آن به حالت پر انرژی‌تری می‌شود. این عمل را برانگیزش می‌نامند.
o هنگامی که الکترون مداری پر انرژی به موقعیت مداری نخستین خود برمی‌گردد، رها شدن انرژی بصورت گسیل پرتوی با فرکانس خاصی خواهد بود. این پرتو شدت خیلی بیشتری نسبت به پرتو “سفید” زمینه خواهد داشت.
o معمولا برای هر ماده هدف معینی بیش از یک طول موج اشعه ایکس وجود دارد. طول موج پرتو تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس ، حد پایینی دارد که با ولتاژ لامپ نسبت عکس دارد. کمترین طول موج برحسب نانومتر (nm) از رابطه زیر بدست می‌آید. که در آن V ولتاژ لامپ می‌باشد.
λmin = 1239.5/V
o پرتو حد پایینی طول موج طیف ، بیشترین اهمیت را در پرتو نگاری دارد. زیرا توانایی نفوذ آن بیشتر است.

مشخصه‌های بارز اشعه ایکس
• بزرگی جریان لامپ بر پخش طول موج اشعه ایکس تولید شده تأثیر ندارد. اما بر روی شدت پرتو موثر است.
• طول موج اشعه ایکس یا اشعه گاما بسیار مهم است. با کاهش طول موج ، نفوذپذیری پرتو به درون محیط افزایش می‌یابد. به بیان دیگر در مقایسه با پرتوی با طول موج بزرگتر ، پرتوی با طول موج بسیار کوتاه قادر به نفوذ به ماده معینی با ضخامت بیشتر و یا چگالی بیشتر خواهد بود. بنابراین ، اگر حداقل طول موج پرتو تولید شده با افزایش ولتاژ لامپ کاهش یابد، نفوذپذیری پرتو افزایش خو

اهد یافت.
بررسی کمی اشعه ایکس
• پرتو ناشی از لامپ ۲۰۰ کیلوولتی به درون فولادی به ضخامت حدود ۲۵mm نفوذ می‌کند.
• اگر ولتاژ لامپ به ۱Mv افزایش یابد، پرتو به درون فولادی به ضخامت حدود ۱۳۰mm نفوذ خواهد کرد.
• حد بالای عملی برای لامپهای اشعه ایکس رایج در حدود ۱۰۰۰Kv است و این امر سبب

تولید اشعه ایکس با کوتاهترین طول موج می شود. این پرتو انرژی فوتونی تقریبا برابر ۱Mev دارد.
• پرتو ایکس با انرژی فوتونی تا ۳۰Mev را با استفاده از الکترونهای پرانرژی (الکترونهای سریع) بوجود آمده بوسیله مولد واندوگراف شتاب دهنده خطی یا چشمه بتاترون می‌توان تولید کرد.
نفوذ پذیری اشعه ایکس
نفوذ پذیری پرتوهای ایکس تولید شده از پرتوهای گاما کمتر بوده اما برای پرتوهای ایکس تولید شده در لامپهای اشعه ایکس بوسیله چشمه‌های پرانرژی در خصوص فولاد نیز دیده می‌شود. باید توجه کرد که بیشترین ضخامتهای استفاده از زمانهای پرتودهی چند دقیقه‌ای و فیلمی با سرعت متوسط می‌توان مورد بررسی قرار داد. مقاطع ضعیفتر را با استفاده از زمانهای پرتودهی طولانی و فیلمی با سرعت زیاد می‌توان بازرسی کرد.

نحوه تولید اشعه ایکس
پرتوهای ایکس را بوسیله بمباران هدفی فلزی با باریکه‌ای از الکترونهای سریع تولید می کنند. قطعات اصلی لامپ اشعه ایکس شامل کاتد برای گسیل الکترونها و آند به عنوان هدف می‌باشد، که هر دو درون لامپ خلا جای گرفته‌اند. با توجه به میزان نفوذ اشعه ایکس و فرکانس مربوطه‌اش از لامپهای اشعه ایکس متنوعی در کارهای تحقیقاتی ، پزشکی ، صنعت و … استفاده می‌کنند.
پراش اشعه ایکس
پراش (تفرق) اشعه ایکس روشی برای مطالعهٔ ساختار مواد بلوری است که در سال ۱۹۱۲ میلادی توسط فون لاوه کشف شد و توسط ویلیام هنری براگ و ویلیام لورنس براگ برای بررسی بلورها بکار گرفته شد.
اشعه‌های ایکسی که برای پراش استفاده می‌شوند، معمولاً طول موجی در حدود ۰/۵ الی ۲/۵ آنگستروم دارند.
این روش بر پایهٔ خاصیت موجی اشعه ایکس استوار است. هستهٔ اتم‌ها در یک شبکهٔ کریستالی به فاصلهٔ کمی (در حدود چند آنگستروم) از یکدیگر قرار گرفته‌اند. بازتابش اشعهٔ ایکس از این صفحات متوالی منجر به تداخل سازنده یا ویرانگر امواج ایکس می‌شود. در صورتی که امواج تداخل سازنده داشته باشند، با استفاده از فرمول براگ می‌توان فاصلهٔ صفحات کریستالی و در نتیجه اندازه و نوع سلول واحد را بدست آورد

لامپ اشعه ایکس

جریان الکتریکی با ولتاژ کم از میان رشته کاتد برای گرم کردن آن و التهاب و تحریک گسیل گرما یونی الکترونها می گذرد. اختلاف پتاسیل الکتریکی زیادی (ولتاژ لامپ) بین کاتد و هدف آندی ، برای شتاب دهی الکترونها در فاصله فضایی بین آن دو وجود دارد. معمولا گستره ولتاژی لامپ اشعه ایکس بین kv۵۰ تا Mv۱ است.

ساختمان لامپ اشعه ایکس
پرتوهای ایکس را بوسیله بمباران هدفی فلزی با باریکهای از الکترونهای سریع تولید میکنند. قطعات اصلی لامپ اشعه ایکس شامل کاتد برای گسیل الکترونها و آندی در نقش هدف میباشند، که ر دو درون لامپ خلا جای گرفتهاند. کاتد پیچهای رشتهای از جنس تنگستن است، این لامپ یک پیچه کانونی جهت جمع کنندگی باریکه الکترونی نیز دارد و در ساختمان آن از پمپ تخلیه نیز استفاده میکنند.