مقدمه

اشعه ایکس خیلی سریع و بطور گسترده‌ای در افقهای حرفه پزشکی ظاهر شد بطوری که جنبه‌های مسلم و قطعی کاربرد آن منجر به ایجاد یک شغل جدید گردید. در آغاز اینکه چه کسی عکسهای اشعه ایکس را تهیه می‌کند خیلی روشن و واضح نبود. پزشکان ، متخصصان برق ، برق درمانها ، فیزیکدانها یا عکاسها.

برخی مانند توماس ادیسون معتقد بودند که اشعه ایکس و وسایل وابسته به آن بزودی در هر خانه‌ای وجود خواهد داشت. تشخیص پزشکی با ارسال عکسهای رادیوگرافیی که بیماران خود در منزل از امراض و جراحاتشان تهیه کرده بودند، به سمت تبدیل شدن به یک صنعت مکاتبه‌ای در حرکت بود.

آگهی دهندگان اولیه این رشته دقیقاً نمی‌دانستند که چه کسانی مشتری آنها خواهند بود، به همین دلیل وسیعترین و پرسودترین گستره مشتری را انتخاب کردند. اشعه‌های ایکس برای همه کاربرد دارند. خیلی از اولین آگاهیها بر سادگی ، کارآیی ، نتیجه گیری سریع در رادیوگرافی تأکید داشتند. از همان سالهای اول اینگونه فروش پر سود واقع شد. برای مثال، در سال 1898 در شهر نیویورک در جلسات کلوپ اشعه ایکس بچه‌های بروکلین و در بسیاری از شرکتهای عکاسی و الکتریکی کشف رونتگن در دکه‌های عکاسی سکه‌ای که دستگاهی « سرگرم کننده » بود دیده می‌شد: ( استخوانهای دستان خود را تنها با پنج سنت ببینید ).

دوره‌های کوتاه مدت عملی و تئوری آموزشی تضمین می‌کرد که آماتورها با روشی آسان به یک عکاس رادیوگرافی تبدیل شوند. هر دو گروه فیزیکدانها و آماتورها تجهیزات و لوازم مورد نیازشان را از شرکتهای یکسانی که آگهی هایشان به دفعات همراه با گواهینامه‌هایی که نشاندهنده موفقیت آمیز بودنِ تولیداتشان در تهیه راحت عکس رادیوگرافی بود تزئین می‌کردند. هدف تیتر تبلیغاتی سالهای 1890- «به قدری آسان که حتی یک بچه هم می‌تواند این کار را انجام دهد ». این بود که اختراع جدید را به عنوان یک وسیله قابل استفاده برای هر فرد در آورد. و بنا به دلایلی در همان روزها این عقیده بوجود آمد که هر کسی می‌تواند از این اشعه‌های جدید جذاب استفاده کند.

 

اشعه ایکس

تاریخچه

در سال 1895 ، درخشش کوتاه صفحه فسفرسانتی که در گوشه‌ای از آزمایشگاه نیمه تاریک بررسی اشعه کاتدیک قرار داشت، ذهن آماده و خلاق رنتگن که در آن زمان استاد فیزیک بود، متوجه پرتوهای تازه‌ای نمود که از حباب شیشه‌ای لامپهای کاتودیک بیرون زده و بی آنکه به چشم دیده شود به اطراف پراکنده می‌شوند. آن چه مایه شگفتی رنتگسن شده بود، نفوذ این پرتوها از دیواره شیشه‌ای لامپ به بیرون و تأثیر آن روی صفحه فاوئورسانت در گوشه‌ای نسبتا دور از لامپ در آزمایشگاه بود. رنتگن به بررسیهای خود درباره کشف تازه که آن پرتو ایکس نامید (بخاطر فروتنی) ، ادامه داد. بعدها این اشعه رنتگن نامیده شد.

 

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.

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.

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

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 خواهد یافت.

 

بررسی کمی اشعه ایکس

پرتو ناشی از لامپ 200 کیلوولتی به درون فولادی به ضخامت حدود 25mm نفوذ می‌کند.

اگر ولتاژ لامپ به 1Mv افزایش یابد، پرتو به درون فولادی به ضخامت حدود 130mm نفوذ خواهد کرد.

حد بالای عملی برای لامپهای اشعه ایکس رایج در حدود 1000Kv است و این امر سبب تولید اشعه ایکس با کوتاهترین طول موج می شود. این پرتو انرژی فوتونی تقریبا برابر 1Mev دارد.

پرتو ایکس با انرژی فوتونی تا 30Mev 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

در سال 1897 جی. جی. تامسون یک ذره با بار منفی که از هر اتمی کوچکتر بود را کشف کرد و آنرا الکترون نامید. بر اساس کارهای رادرفورد و بوهر یک مدل ساده اتمی ممکن است، به صورت یک هسته حجیم با بار مثبت که توسط الکترونهای واقع در مداراتی با شعاع خاص احاطه شده ، در نظر گرفته شود. منظومه شمسی به همین شکل سازمان یافته است.

 

هسته

هسته یک اتم از چندین نوع ذره اولیه به نام نوکلئون ساخته شده است. پروتونها و نوترونها جز نوکلئونها می‌باشند. پروتونها دارای بار الکتریکی مثبت می باشند که از نظر عددی مساوی بار الکترونها می باشد، در حالیکه نوترونها فاقد بار الکتریکی هستند. جرم نوترون و پروتون مشابه یکدیگر می‌باشد و تقریبا 1836 برابر بیشتر از جرم الکترون است. تعداد پروتونهای هسته هر اتم به نام عدد اتمی (Z) آن نامیده می‌شود. مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته یک اتم عدد جرمی (A) نامیده می شود.

تمامی اتمهای یک عنصر دارای عدد اتمی (Z) مشابه هستند و لیکن یک عنصر ممکن است دارای چندین ایزوتوپ باشد. تعداد پروتونهای تمامی ایزوتوپهای یک عنصر مشابه می‌باشد، ولی تعداد نوترونهای آنها متفاوت است. به همین دلیل ، ایزوتوپهای یک عنصر دارای عدد اتمی یکسان و جرم اتمی متفاوت می باشند.

 

مدارات الکترونی

الکترونها ذراتی با بار منفی هستند که در اطراف هسته چرخش می‌نمایند. از آنجا که یک اتم در حالت عادی از نظر الکتریکی خنثی می‌باشد، لذا می‌بایست شامل تعداد مساوی از الکترون و پروتون باشد. نیروی کششی بین بار مثبت هسته و بار منفی الکترون موجب نگاهداشتن الکترونها در اتم می‌گردد. این نیرو تحت عنوان نیروی همبستگی الکترون نامیده می شود. جهت نیروی همبستگی به سمت هسته می‌باشد.

یک الکترون نمی‌تواند انرژی کمتر یا بیشتر از انرژی مربوط به لایه‌ای که در آن قرار دارد، داشته باشد و لیکن ممکن است که از یک لایه انرژی به لایه دیگر که پر نشده است، جابجا شود. سیستم اتمی حداکثر شامل 2 الکترون در مدار اول و تا 8 الکترون در مدار دوم و تا 18 الکترون در مدار سوم و ... می‌باشد. مدارات الکترونی بوسیله حروف M , L , k و … نامگذاری می‌شوند.

 

نحوه انتقال الکترون از یک لایه به لایه دیگر

حرکت الکترون به لایه پایین‌تر ، به عنوان مثال از لایه L به لایه K به تابش انرژی منجر می‌گردد. میزان انرژی تابشی برابر اختلاف انرژی همبستگی بین این دو لایه خواهد بود. این انرژی ممکن است، شکل فوتون به خود بگیرد. اگر کمیت انرژی کافی باشد، فوتون ممکن است، اصطلاحا اشعه ایکس نامیده شود. حرکت الکترون به یک لایه انرژی بالاتر به عنوان مثال از لایه K به لایه L مستلزم دادن انرژی به الکترون است که یکی از منابع انرژی می تواند جذب فوتون اشعه ایکس باشد.

 

ترازهای انرژی هسته

ترازهای انرژی در مورد هسته نیز صادق است، به این ترتیب که اگر به ذرات داخل هسته (پروتون ، نوترون و ...) انرژی داده شود، هسته در حالت تحریک قرار خواهد گرفت و همانند الکترون نمی تواند در این حالت باقی بماند. بنابراین انرژی اضافی (که برابر با تفاضل دو تراز انرژی است) به صورت تشعشع (از هسته) ساطع می‌گردد.

مدلهای استادانه تری برای ساختمان اتمی پیشنهاد گردیده است، که در آنها مدارات به صورت بیضی شکل بوده یا اینکه الکترونها را فقط به صورت امواج ایستاده در اطراف هسته اتم در نظر گرفته است، اما مدل مدارات دایره ای برای تولید اشعه ایکس به اندازه کافی دقیق می باشد. در تولید اشعه ایکس از سه خاصیت اتمهای تنگستن در هدف لامپ مولد اشعه ایکس استفاده می شود:

1. میدان الکتریکی هسته
2. انرژی همبستگی مدارات الکترونی
3. احتیاج اتم به قرار گرفتن در پایین ترین وضعیت انرژی

 

هنگامی که الکترونهای سریع ، انرژی خود را پس از برخورد به هدف لامپ مولد اشعه ایکس (تنگستن) از دست می‌دهند، به دو طریق اشعه ایکس تولید می‌گردد:

فرآیند اول شامل تولید اشعه ایکس در اثر واکنش الکترونها با هسته اتمهای سنگین می‌باشد که با نام تشعشع عمومی خوانده می شود.

دومین فرآیندی که منجر به تولید اشعه ایکس می‌گردد، شامل تصادم بین الکترونهای سریع و الکترونهای لایه‌ای اتمهای تنگستن در هدف می‌باشد که تحت عنوان تشعشع اختصاصی نامیده می‌شود.

 

اشعه گاما

با توجه به اینکه اشعه گاما دارای تشعشع الکترومغناطیسی می‌باشد، آن فاقد بار و جرم سکون است. اشعه گاما موجب برهمکنشهای کولنی نمی‌گردد و لذا آنها برخلاف ذرات باردار بطور پیوسته انرژی از دست نمی‌دهند. معمولا اشعه گاما تنها یک یا چند برهمکنش اتفاقی با الکترونها یا هسته‌های اتم‌های ماده جذب کننده احساس می‌کند. در این برهمکنش‌ها اشعه گاما یا بطور کامل ناپدید می گردد یا انرژی آن بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌یابد. اشعه گاما دارای بردهای مجزا نیست، به جای آن ، شدت یک باری که اشعه گاما بطور پیوسته با عبور آن از میان ماده مطابق قانون نمایی جذب کاهش می‌یابد.

 

فروپاشی گاما

در فروپاشی گاما ، هنگامی که یک هسته تحت گذارهایی از حالات برانگیخته بالاتر به حالات برانگیخته پایین‌تر یا حالت پایه آن می‌رود، تشعشع الکترومغناطیسی منتشر می‌گردد. معادله عمومی فروپاشی گاما بصورت زیر است:

 

^A_ZX^*-------->^A_ZX + γ

 

که در آنX و X* به ترتیب نشان دهنده حالت پایه (غیر برانگیخته) و حالت با انرژی بالاتر است. قابل ذکر است که این فروپاشی با هیچ گونه تغییر در عدد جرمی (A) و عدد اتمی (Z) همراه نیست.

حالت برانگیخته هسته و حالت با انرژی پایین حاصل شده در اثر نشر پرتو گاما ، فقط زمانی به عنوان ایزومر هسته‌ای در نظر گرفته می‌شود که نیمه عمر حالت برانگیخته به اندازه‌ای طولانی باشد که بتوان آن را به سادگی اندازه گیری نمود. زمانی که این حالت وجود داشته باشد، فروپاشی گاما به عنوان یک گذار ایزومری توصیف می‌گردد. اصطلاحات حالت نیمه پایدار یا حالت برانگیخته برای توصیف گونه‌ها در حالات انرژی بالاتر از حالت پایه نیز به کار می‌رود.

 

حالتهای فروپاشی گاما

نشر اشعه گامای خالص :

در این حالت فروپاشی گاما ، اشعه گامای منتشر شده بوسیله یک هسته از یک فرآیند فروپاشی گاما برای کلیه گذارها بین ترازهای انرژی که محدوده انرژی آن معمولا از 2 کیلو الکترون ولت تا 7 میلیون الکترون ولت می‌باشد، تک انرژی است. این انرژیهای گذارها بین حالت کوانتومی هسته بسیار نزدیک هستند. مقدار کمی از انرژی پس زنی هسته با هسته دختر (هسته نهایی) همراه می‌باشد، ولی این انرژی معمولا نسبت به انرژی اشعه گاما بسیار کوچک بوده و می‌توان از آن صرفنظر کرد.

 

حالت فروپاشی بصورت تبدیل داخلی :

در این حالت فروپاشی ، هسته برانگیخته با انتقال انرژی خود به یک الکترون اربیتال برانگیخته می‌گردد، که سپس آن الکترون از اتم دفع می‌شود. اشعه گاما منتشر نمی‌شود. بلکه محصولات این فروپاشی هسته در حالت انرژی پایین یا پایه ، الکترونهای اوژه ، اشعه ایکس و الکترونهای تبدیل داخلی می‌باشد. الکترونهای تبدیل داخلی تک انرژی هستند. انرژی آنها معادل انرژی گذار ترازهای هسته‌ای درگیر منهای انرژی پیوندی الکترون اتمی می‌باشد.

با توجه به اینکه فروپاشی تبدیل داخلی منجر به ایجاد یک محل خالی در اربیتال اتمی می‌شود، در نتیجه فرآیندهای نشر اشعه ایکس و نشر الکترون اوژه نیز رخ خواهد داد.

حالت فروپاشی بصورت جفت :

برای گذارهای هسته‌ای با انرژی‌های بزرگتر از 1.02 میلیون الکترون ولت تولید جفت اگر چه غیر معمول است اما یک حالت فروپاشی محسوب می‌شود. در این فرآیند ، انرژی گذرا ابتدا برای بوجود آمدن یک جفت الکترون – پوزیترون و سپس برای دفع آنها از هسته بکار می‌رود.

انرژی جنبشی کل داده شده به جفت معادل اختلاف بین انرژی گذار و 1.02 میلیون الکترون ولت مورد نیاز برای تولید جفت است. پوزیترون تولید شده در این فرآیند نابود خواهد شد.

 

 

منبع: سايت کمک آموزشی دانش یاران فورکیا

www.daneshyaran.4kia.ir