Promienie rentgenowskie

PROMIENIE ROENTGENA

Promienie rentgena zostały odkryte w roku 1895 przez Wilhelma Conrada Roentgena. W 1901r. dostał za to odkrycie nagrodę Nobla. Badając właściwości promieni katodowych, Roentgen postanowił sprawdzić czy promienie te przechodzą również przez zwykłą szklaną ściankę. W tym celu rurę Crookesa przykrył czarnym pudłem kartonowym oraz zasłonił okna w pokoju, aby światło rurki nie przeszkadzało w zobaczeniu ewentualnych zjawisk na szklanej ściance. W tym momencie zauważył fluorescencje leżącej o ponad metr od rury płytki pokrytej BaPt(CN)4 (tetracyjanoplatynianem barowym). Zjawisko to nie mogło zostać wywołane przez promienie katodowe ze względu na zbyt dużą odległość płytki od rury Crookesa. Okazało się, iż odkrył nowy rodzaj niewidzialnych promieni nazwanych przez niego promieniami X. Podczas badań nad tym nowym zjawiskiem zauważył również, że świecenie ekranu utrzymuje się, gdy pomiędzy nim a rurą umieszczał różne przedmioty takie jak tysiąc stronicowa książka czy dłoń. Badał przezroczystość różnych materiałów w stosunku do promieniowania. Fotografował kawałki drutu przez drewnianą grubą deskę i odważniki zamknięte w pudełku. Historyczne jest zdjęcie wykonane 22 grudnia podczas krótkiej ekspozycji, na którym widać rękę żony Roentgena z cieniem pierścienia na palcu.

Prześwietlenie ręki promieniami Roentgena. Ilustracja pochodzi z roku 1896.

Roentgen odkryte przez siebie promienie nazwał promieniami X, a później nazwano je promieniami Roentgena.
Do wytwarzania promieni X służą dwie lampy: jonowa lampa rentgenowska oraz lampa Coolidge’a z żarzoną katodą, która służy do wytwarzania elektronów swobodnych za pomocą zjawiska termoelektrycznego. Jonowa lampa rentgenowska jest to bańka szklana, kulista o średnicy kilku lub kilkunastu centymetrów, wypełniona gazem o ciśnieniu kilku dziesiątych Pa. W bańce znajdują się trzy elektrody metalowe: płytka glinowa, która ma kształt wklęsłej miseczki o środku krzywizny w środku bańki i stanowi katodę, anoda, która jest połączona metalicznie (zamyka obwód prądowy dla elektronów) z trzecią elektrodą zwaną antykatodą. Jest to blaszka z trudno topliwego metalu; znajduje się dokładnie w środku bańki i jest ustawiona pod kątem 45° do osi bańki.
W celu uruchomienia lampy podłącza się między katodę i antykatodę napięcie rzędu kilkudziesięciu tysięcy Voltów. W bańce takiej występują jony dodatnie, które bombardując katodę wyzwalają z niej elektrony. Elektrony wylatujące z wklęsłej katody tworzą zbieżny strumień promieni katodowych skupiającej się na bardzo małej powierzchni antykatody. Powstają dwa typy promieniowania rentgenowskiego: o widmie ciągłym (promieniowanie hamowania) i o widmie liniowym. Szybko poruszające się elektrony trafiają na atomy bombardowanego pierwiastka i w ich polach elektrycznych gwałtownie zmieniają kierunki lub zostają wyhamowane. W tym czasie elektron traci część swojej energii, która zostaje wypromieniowana w postaci promieniowania hamowania Częstotliwość i energia emitowanego fotonu jest tym większa, im silniej jest hamowany elektron.. Gdy elektron zostaje całkowicie przez jądro wyhamowany, wówczas cała jego energia zamienia się na energię promieniowania. Częstotliwość tego promieniowania jest wtedy największa.
Krótkofalowa granica widma promieniowania rentgenowskiego zależy od napięcia przyśpieszającego. Elektrony promieni katodowych mogą przekazywać swoją energię elektronom atomów antykatody. Posiadają one dużą energię, a więc mogą wytrącić nie tylko elektrony zewnętrzne, ale także elektrony leżące najbliżej jądra. Wytrącony elektron albo wylatuje poza atom i staje się elektronem swobodnym albo zajmuje wolne miejsce w warstwie dalekiej od jądra(nie zapełnionej).Zwolnione miejsce przez niego natychmiast zajmuje elektron z wyższej warstwy, podczas tego przejścia następuje emisja energii w postaci fotonu.
Max Laue skierował prostopadle wiązkę promieni X(o widmie ciągłym) na powierzchnię cienkiego monokryształu, która po przejściu przez kryształ pada na kliszę fotograficzną. Na kliszy otrzymujemy zaczernioną plamkę centralną dla wiązki nie ugiętej, oraz plamki boczne dla wiązek ugiętych. Zespół regularnie ułożonych plamek nazywa się obrazem Lauego. Regularne ułożenie małych zaczernionych plamek świadczy o tym, że tylko w pewnych kierunkach ugięte promienie X wzmacniają się, w innych zaś znoszą się. Doświadczenie to pokazuje, że zachodzi interferencja promieni X.

Właściwości promieni rentgenowskich
Ř Rozchodzą się prostoliniowo
Ř Są niewidzialne, ale wywołują fluorescencję
Ř Wywołuje jonizację powietrza
Ř Promieniowanie przenika przez szkło, przez czarny papier i przez wiele ciał, które są nieprzeźroczyste dla światła
Ř Zaczernia kliszę fotograficzną
Ř Są pochłaniane bardziej przez pierwiastki o większej liczbie porządkowej Z
Ř W próżni mają prędkość światła
Ř Nie ulegają odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym

Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się w badaniach pierwiastkowego składu chemicznego substancji (analiza rentgenospektralna) oraz do badania struktur kryształów (krystalografia rentgenowska). Ponadto promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej (rentgenodiagnostyka). Ma również znaczenie w leczeniu nowotworów złośliwych oraz w niektórych schorzeniach skóry (rentgenoterapia)
W roku 1948 wykryto promieniowanie rentgenowskie pochodzące z przestrzeni kosmicznej, od tego czasu astronomowie poszukują promieni X we Wszechświecie. Mogą one ujawniać obszary aktywności energetycznej w przestrzeni kosmicznej. Umożliwiają również obserwowanie przyćmionych ciał, na przykład pulsarów.