Co jsou rentgenové paprsky?

Rentgenové paprsky jsou typy elektromagnetického záření pravděpodobně nejznámější pro jejich schopnost vidět skrz kůži osoby a odhalit obrazy kostí pod ní. Pokroky v technologii vedly k výkonnějším a zaostřenějším rentgenovým paprskům ak stále většímu využití těchto světelných vln, od zobrazování teensy biologických buněk a strukturálních složek materiálů, jako je cement, až po zabíjení rakovinných buněk.  

Rentgenové paprsky jsou zhruba klasifikovány na měkké rentgenové a tvrdé rentgenové paprsky. Měkké rentgenové paprsky mají relativně krátké vlnové délky asi 10 nanometrů (nanometr je jedna miliardtina metru), a proto spadají do rozsahu elektromagnetického (EM) spektra mezi ultrafialovým (UV) světlem a gama paprsky. Tvrdé rentgenové paprsky mají vlnové délky asi 100 picometrů (picometer je jedna biliontina metru). Tyto elektromagnetické vlny zaujímají stejnou oblast EM spektra jako paprsky gama. Jediný rozdíl mezi nimi je jejich zdroj: rentgenové paprsky jsou produkovány zrychlujícími se elektrony, zatímco gama paprsky jsou produkovány atomovými jádry v jedné ze čtyř jaderných reakcí. 

Historie rentgenů

Rentgenové paprsky byly objeveny v roce 1895 Wilhelmem Conradem Röentgenem, profesorem na Würzburské univerzitě v Německu. Podle „Historie radiografie Nondestructive Resource Center“ si Röentgen všiml krystalů poblíž vysokonapěťové katodové trubice vykazující fluorescenční záři, i když je stínil tmavým papírem. Trubka, která pronikla do papíru a způsobovala žhnutí krystalů, produkovala nějakou energii. Röentgen nazval neznámou energii „rentgenem“. Experimenty ukázaly, že toto záření by mohlo proniknout do měkkých tkání, ale nikoli do kostí, a na fotografických deskách by vytvořilo stínové obrazy. 

Za tento objev získal Röentgen v roce 1901 úplně první Nobelovu cenu za fyziku.

Rentgenové zdroje a efekty

Podle Kelly Gaffneyové, ředitelky Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, mohou být rentgenové paprsky na Zemi produkovány vysíláním vysokoenergetického paprsku elektronů rozbíjejících se na atom, jako je měď nebo gallium. Když paprsek zasáhne atom, elektrony ve vnitřní skořápce, nazývané s-skořápka, se trhnou a občas vyhodí z oběžné dráhy. Bez tohoto elektronu nebo elektronů se atom stane nestabilním, a tak aby se atom „uvolnil“ nebo se vrátil do rovnováhy, Gaffney řekl, že elektron v takzvané 1p skořápce klesá, aby zaplnil mezeru. Výsledek? X-ray dostane propuštěn.

„Problém je v tom, že fluorescence [nebo rentgenové světlo vydávané] jde všemi směry,“ řekl Gaffney. „Nejsou směrové a nejsou zaměřitelné. Není to velmi snadný způsob, jak vyrobit vysoce energetický a jasný zdroj rentgenových paprsků.“

Zadejte synchrotron, typ urychlovače částic, který urychluje nabité částice, jako jsou elektrony, uvnitř uzavřené kruhové dráhy. Základní fyzika naznačuje, že kdykoli urychlíte nabitou částici, vydá světlo. Typ světla závisí na energii elektronů (nebo jiných nabitých částic) a magnetickém poli, které je tlačí kolem kruhu, řekl Gaffney.

Jelikož jsou synchrotronové elektrony tlačeny téměř k rychlosti světla, vydávají obrovské množství energie, zejména rentgenové energie. A nejen žádné rentgenové paprsky, ale velmi silný paprsek soustředěného rentgenového světla.

Podle European Synchrotron Radiation Facility bylo poprvé ve Spojených státech amerických v roce 1947 viděno záření Synchrotron. Toto záření bylo považováno za obtěžování, protože způsobovalo ztrátu energie částicemi, ale později bylo v 60. letech rozpoznáno jako světlo s výjimečnými vlastnostmi, které překonaly nedostatky rentgenových trubic. Jedním zajímavým rysem synchrotronového záření je to, že je polarizované; to znamená, že všechna elektrická a magnetická pole fotonů kmitá ve stejném směru, který může být lineární nebo kruhový. 

"Protože jsou elektrony relativistické [nebo se pohybují rychlostí blízkou světlu], když vydávají světlo, skončí soustředěním dopředu," řekl Gaffney. "To znamená, že nezískáte jen správnou barvu světelných rentgenových paprsků, a nejen mnoho z nich, protože máte uloženo mnoho elektronů, jsou také přednostně emitovány dopředu."

Rentgenové zobrazování

Díky své schopnosti proniknout určitými materiály se rentgenové paprsky používají pro několik nedestruktivních aplikací pro hodnocení a testování, zejména pro identifikaci vad nebo trhlin v konstrukčních prvcích. Podle NDT Resource Center, „Záření je nasměrováno částí a na [a] film nebo jiný detektor. Výsledný stínový graf ukazuje vnitřní rysy“ a to, zda je součást zvuková. Toto je stejná technika používaná v ordinacích lékařů a zubních lékařů pro vytváření rentgenových snímků kostí a zubů. [Images: X-ray of Stunning Fish]

Rentgenové paprsky jsou také nezbytné pro bezpečnostní kontroly přepravy nákladu, zavazadel a cestujících. Elektronické zobrazovací detektory umožňují vizualizaci obsahu obalů a dalších položek pro cestující v reálném čase. 

Původní použití rentgenových paprsků bylo pro zobrazování kostí, které byly snadno rozlišitelné od měkkých tkání na filmu, který byl v té době k dispozici. Přesnější zaostřovací systémy a citlivější metody detekce, jako jsou vylepšené fotografické filmy a elektronické zobrazovací senzory, však umožnily rozlišovat stále jemnější detaily a jemné rozdíly v hustotě tkání při použití mnohem nižších úrovní expozice.

Počítačová tomografie (CT) navíc kombinuje více rentgenových snímků do 3D modelu oblasti zájmu.

Podobně jako u CT může synchrotronová tomografie odhalit trojrozměrné obrazy vnitřních struktur objektů, jako jsou inženýrské komponenty, podle Centra pro materiály a energii Helmholtz.

Rentgenová terapie

Radiační terapie využívá vysokoenergetické záření k ničení rakovinných buněk poškozením jejich DNA. Protože léčba může také poškodit normální buňky, doporučuje National Cancer Institute, aby byla léčba pečlivě naplánována, aby se minimalizovaly vedlejší účinky. 

Podle Americké agentury pro ochranu životního prostředí tzv. Ionizující záření z rentgenových paprsků píše zaostřenou oblast s dostatkem energie k úplnému stripování elektronů z atomů a molekul, čímž se změní jejich vlastnosti. V dostatečných dávkách to může poškodit nebo zničit buňky. I když toto poškození buněk může způsobit rakovinu, může být také použito v boji proti němu. Zaměřením rentgenových paprsků na rakovinné nádory může tyto abnormální buňky zničit. 

Rentgenová astronomie

Podle Roberta Pattersona, profesora astronomie na Missouri State University, zahrnují nebeské zdroje rentgenového záření blízké binární systémy obsahující černé díry nebo neutronové hvězdy. V těchto systémech mohutnější a kompaktnější hvězdný zbytek může stripovat materiál ze své doprovodné hvězdy a vytvořit disk s extrémně horkým plynem emitujícím rentgenové záření, když se točí spirály dovnitř. Supermasivní černé díry ve středech spirálních galaxií mohou navíc emitovat rentgenové paprsky, protože absorbují hvězdné a plynové mraky, které spadají do jejich gravitačního dosahu. 

Rentgenové dalekohledy používají odrazy s nízkým úhlem k zaostření těchto vysokoenergetických fotonů (světla), které by jinak prošly běžnými zrcadly dalekohledu. Protože atmosféra Země blokuje většinu rentgenových paprsků, pozorování se obvykle provádí pomocí balónků ve vysokých výškách nebo obíhajících dalekohledů. 

Dodatečné zdroje

• Chcete-li se dozvědět více, stáhněte si tento soubor PDF ze SLAC s názvem „Raná historie rentgenů“.
• Centrum zdrojů NDE / NDT poskytuje informace o nedestruktivním vyhodnocení / nedestruktivním testování. 
• Misijní stránka NASA v elektromagnetickém spektru vysvětluje, jak astronomové používají rentgenové paprsky.

Tato stránka byla aktualizována 5. října 2018 pomocí editora Jeanna Bryner.