Mi a röntgensugárzás
Tartalom
Röntgensugárzás Eszköztár: Az első fizikai Nobel-díjat ban Wilhelm Röntgen kapta a róla elnevezett sugárzás felfedezéséért.
A felfedezés ben, véletlenül történt, amikor Röntgennagyfeszültségű kisülési csövekkel kísérletezett. Nem tudta megfejteni, milyen sugárzást fedezett fel X-sugárzásnak, vagyis ismeretlennek nevezte el, ami az angol nyelvben a mai napig megmaradt - X-raysde számos tulajdonságát, legfőképpen rendkívüli áthatoló képességét a felfedezés után néhány héten belül megállapította.
A felfedezést követő hatodik héten már megtörténtek az első orvosdiagnosztikai alkalmazások is, a fizikai felfedezések közül ennél gyorsabb gyakorlati alkalmazásra valószínűleg soha nem került még sor. Azóta nemcsak az orvostudományokban, hanem rendkívül sok más területen is széles körben alkalmazzák a röntgensugarakat.
- Hogyan tudhatja meg maga a látását
- Ifjúsági savanyú jövőkép
Sajnálatos, hogy mi a röntgensugárzás alkalmazások első néhány évtizedében még nem ismerték fel a röntgensugaraknak az emberi szervezetre gyakorolt káros hatását, hosszú ideje azonban már minimálisra csökkentették az egészségkárosítás kockázatát. A röntgensugarak keletkezését és tulajdonságait csak a Planck-Einstein-féle fotonképpel és a Bohr által bevezetett atomi energiaszintekkel lehetett megmagyarázni, ezzel újabb példát mutathatunk be az elektromágneses sugárzás kvantumos természetére.
A röntgensugárzás tulajdonságai | Röntgendiagosztika, komputertomográfia
A röntgensugarak keletkezését a fényelektromos hatás megfordításának is tekinthetjük. A fényelektromos jelenség úgy jön létre, hogy egy fém felületét fénnyel megvilágítjuk, ennek hatására elektronok szabadulnak ki a fém felületéből.
A röntgensugarakat viszont úgy keltik, hogy fémfelületeket elektronokkal bombáznak, ennek következtében a fémből röntgensugarak lépnek ki.
A röntgensugarakról teljes biztonsággal csak az es években mutatták ki, hogy nagyfrekvenciájú elektromágneses hullámok vagyis nagyenergiájú fotonok.
A fotoeffektusban résztvevő látható vagy ultraibolya fény és a röntgensugárzás energiatartománya sok nagyságrenddel különbözik egymástól. A fényelektromos jelenségbenkisenergiájú fotonok keltenek néhány eV energiájúelektronokat, míg a nagyenergiájú röntgenfotonokat eV mozgási energiájúelektronok hozzák létre.
Az ábrán egy napjainkban használatos röntgencsövet láthatunk, melynek belsejében vákuum van. Az elektronok az izzókatódból mi a röntgensugárzás ki, majd az általában néhányszor tízezer voltos pozitív feszültségre kötött anódba csapódnak. Az anódba csapódó elektronok különböző hullámhosszúságúröntgensugarakat keltenek. A következő ábrán egy tipikus hullámhossz szerinti intenzitáseloszlást láthatunk.
Az intenzitásgörbén megfigyelhetünk éles csúcsokat, melyek a röntgencsőanódjának anyagára jellemzőek az ábra molibdén anódú röntgencsőszínképét mutatjaés láthatunk folytonos röntgenszínképet is, ami független az anód anyagától. Az éles csúcsok és a folytonos sugárzás két, teljesen különböző módon jön létre, de egy időben, ezért a kettő összegét láthatjuk az ábrán.
A folytonos röntgensugárzástfékezési sugárzásnak is hívjuk, mert ez az anódba csapódó elektronoklefékeződése miatt keletkezik.
A lefékeződő elektronok nagy negatív gyorsulással állnak meg. A gyorsuló töltésekelektromágneses hullámokatsugároznak ki: ezek a folytonos tartomány röntgenfotonjai.
Tartalomjegyzék
Az ábrából az is látszik, hogy a folytonos színképnek van egy minimális hullámhosszúságú pontja, ennél kisebb hullámhosszúröntgensugarak nem keletkeznek. A keletkező röntgensugarak legkisebb hullámhossza a gyorsítófeszültségtől függ. Nagyobb gyorsítófeszültségek esetén még kisebb hullámhosszúságú, tehát nagyobb frekvenciájú, nagyobb energiájú röntgenfotonok is létrejöhetnek.
Ha az anód UA feszültségű, akkor a katódból kilépő elektronok e UA mozgási energiával csapódnak az anód anyagába.
A fékeződés során legfeljebb ennyi energiát adhatnak egy keletkező röntgenfotonnak, amennyiben a fotonképzés egyetlen lépésben történik és másfelé nem megy el energia a röntgensugárzás keltése szempontjából ez a legszerencsésebb eset.
A Planck-formula értelmében az elektron teljes mozgási energiájának egyetlen röntgenfotonná alakulása közben az energiamegmaradás egyenletét így írhatjuk:amiből a minimális hullámhosszat így fejezhetjük ki:. A jobb oldalon a h Planck-állandó, a c fénysebesség és az elektron e töltése univerzális fizikai állandók, UA pedig az anód és a katód között mérhető feszültség, melyekből tehát a minimális hullámhossz kiszámítható.
A fotonelmélet helyességét erősíti meg, látás plusz egy az így kiszámított minimális röntgenhullámhossz nagyon jó egyezésben van a mérhető legkisebb hullámhosszal.
Fizikatörténeti tény, hogy a legelső valóban pontos Planck-állandó meghatározás éppen ezen az egyszerű összefüggésen alapult. Az anyagtól független fékezési sugárzáson kívül magyarázatot kell adnunk a spektrumban megjelenő, a röntgencső anyagára jellemző éles intenzitáscsúcsokra is. Ezek nem magyarázhatók a gyorsuló töltéselektromágneses sugárzásával, vagyis a klasszikus fizika törvényeivel.
A Bohr-modellben megjelenő energiaszintekkel viszont kielégítő magyarázatot adhatunk a röntgenszínkép éles vonalaira, az úgynevezett karakterisztikus sugárzásra.
Az anód anyagába becsapódó elektronokmozgási energiájukat nemcsak röntgenfotonok keltésére, hanem az q anyagát alkotó atomok elektronjainak kilökésére is felhasználhatják.
Navigációs menü
A becsapódó elektronok olyan nagy energiával rendelkeznek, hogy csökkent a látás közelsége a legerősebben kötött, az atommaghoz legközelebbi, legbelsőbb pályákon lévő elektronokat is kilökni. Ezek az úgynevezett 1s pályán lévő elektronok, melyeket régebbi szóhasználat szerint a K-héjon lévő elektronoknak hívunk. Ha az anódba csapódó elektron kilök egy K-elektront, tehát a K-héjon egy betöltetlen, mélyen fekvő energiaszint mi a röntgensugárzás, akkor kevesebb, mint egy nanoszekundumon s belül egy magasabb energiaszinten lévő elektron ugrik erre a szintre az energiaminimumra törekvés elve szerint.
Legvalószínűbb, hogy eggyel vagy kettővel magasabban lévő héjról, tehát az L- vagy az M-héjról ugrik elektron a K-héjbetöltetlen állapotába. Ezzel az elektronalacsonyabb energiájú állapotba kerül, ami a két energiaszint közötti energiakülönbségnek megfelelő foton kisugárzásával jár. A mélyen kötött állapotokban ez az energiakülönbség olyan nagy, hogy nagyenergiájú röntgenfoton keletkezik a folyamatban.
Gyakorlókérdés
Az ilyen röntgenfotonokenergiája, és így hullámhosszúsága is tehát valóban a röntgencső anódjának anyagától, az anódatomjainak legmélyebben lévő energiaszintjeitől, ezek különbségétől függ. A karakterisztikus röntgensugárzás létrejötte tehát lényegében megegyezik az izzó gázok vonalas színképének kialakulásával, itt is egy magasabb energiaszintről egy alacsonyabbra ugrik egy elektron.
Az első alkalmazás Wilhelm Röntgen ben fedezte fel a röntgensugárzást ezt ben ismerték el Nobel-díjjalamivel új ablakot nyitott a világra. A New York Times Hamarosan az emberek a csontszerkezetünk képeinek a csodájára jártak.
A karakterisztikus röntgensugárzást tehát a Bohr-féle atommodell energiaszintjeinek felhasználásával lehet megérteni. A röntgenszínképben lévő intenzitáscsúcsok hullámhosszúságának mérése lehetővé tette a mélyen fekvő atomi energiaszintek feltérképezését.
Wilhelm Röntgen
