Promieniowanie rentgenowskie

Wilhelm Konrad von Rontgen (Roentgen) urodził się 27 marca 1845 roku w Lennep, w Niemczech. Początkowo kształcił się w Holandii, potem w Zurychu (Szwajcaria). W wieku 40 lat został profesorem fizyki na uniwersytecie w Wurtzburgu, 10 lat później (1885 rok) odkrył promieniowanie rengenowskie. W 1896 roku otrzymał Medal Rumforda od Towarzystwa Królewskiego w Londynie, a od 1900 roku wykładał w Monachium, gdzie prowadził również swoje prace badawcze (nie tylko promieniowanie, również fizyka kryształów, własności cieczy pod wysokimi ciśnieniami). W 1901 roku za swoje odkrycie otrzymał pierwszą Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki. Jak do tego doszło?
Roentgen badał właściwości promieni katodowych, postanowił sprawdzić czy promienie te przechodzą również przez zwykłą ściankę szklaną. Posłużył się gruszkowatą rurką Crookes’a, do której z jednej strony wprowadził katodę zakończoną niewielkim wklęsłym zwierciadłem, z boku doczepił anodę. Owinął rurkę czarnym papierem, choć sam nie wiedział dlaczego, a następnie podłączył napięcie (ok. 50 tysięcy V). Strumień elektronów skupiony w zwierciadle zaczął wydzielać promieniowanie skierowane do dna rurki. W tym momencie ustawiony w pobliżu papierowy ekran fluorescencyjny (powleczony specjalną masą) zaświecił samoistnie zielonkawym blaskiem. Zjawisko to nie zostało wywołane przez promienie katodowe (zbyt duża odległość), nie było to światło widzialne. Gdy przybliżył ekran do rurki, trzymając go w dłoni na ekranie pojawiły się kości tejże dłoni. Roentgen odkrył promienie przenikające ludzkie ciało! Nazwał je promieniami X. Pierwsza fotografia ludzkiego ciała została wykonana 22 grudnia 1895 roku. Roentgen fotografował też inne przedmioty, jak np. kawałki drutu przez drewnianą grubą deskę czy odważniki zamknięte w pudełku.

Promieniowanie rentgenowskie powstaje przy przejściach elektronów na wewnętrzne powłoki elektronowe atomu, jego długości zawarte są w przedziale 0,1 pm do ok. 50 nm, tj. między promieniowaniem gamma i ultrafioletowym. Dzieli się na miękkie (większa długość fali, mniej przenikliwe) i twarde (większa długość fali, bardziej przenikliwe).

Źródłem promieniowania X jest aparat rentgenowski, reaktor jądrowy, akcelerator a także pierwiastki promieniotwórcze i wiele obiektów astronomicznych. W aparacie rentgenowskim znajduje się lampa próżniowa lub gazowa, w której strumień elektronów pada na elektrodę zwaną anykatod. Promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest też przez dwie lampy: jonową oraz Coolidge’go z żarzoną katodą, która służy do wytwarzania elektronów swobodnych. Jonowa lampa rentgenowska to bańka szklana, kulista, wypełniona gazem; wewnątrz znajdują się trzy elektrody metalowe.
Do prześwietlania służy: ekran fluoryzujący, ekran rentgenologiczny, wzmacniacz elektronowy obrazu ekranowego. Ekran fluoryzujący zawiera elementy fluoryzujące, które pod wpływem promieniowania X dają obraz słabo odbierany przez siatkówkę oka, ale silnie przez błony fotograficzne. Ekran rentgenowski przetwarza promienie X w promienie widzialne.
Ciekawostką jest, że Słońce, gwiazdy i inne obiekty w przestrzeni kosmicznej (np. czarne dziury) są naturalnymi źródłami promieni X. Wokół Ziemi krążą satelity wyposażone w teleskopy wysyłające obrazy rentgenowskie z przestrzeni kosmicznej. Po przetworzeniu dają one obraz trójwymiarowy.

Własności promieniowania X:
- wszelkie substancje są dla promieni X w mniejszym lub większym stopniu przejrzyste
- są niewidzialne, ale wywołują fluorescencję
- wywołują jonizację powietrza

- wiele substancji fosforyzuje przy naświetlaniu promieniami X
- emulsje fotograficzne są czułe na promienie X, powodujące zaczernienie kliszy
- w próżni mają prędkość światła
- rozchodzą się po liniach prostych, ich tor nie zakrzywia się w polu magnetycznym ani elektrycznym
- padając na ciało naelektryzowane powodują, że ciało to traci ładunek

Zastosowanie promieni X:
- pierwszą dziedziną, w której wykorzystano promienie X była medycyna
- prześwietlają bagaże na lotniskach
- pomagają w defektoskopii (wykrywaniu wad metali) i budowaniu konstrukcji stalowych
- każdy odbiornik telewizyjny emituje promienie X, które jednak nie przedostają się przez szybę odbiornika
- używane są w fizyce jądrowej (mikroskopy elektronowe, cyklotrony, akcelatory)
- wykorzystywane są w badaniach pierwiastkowego składu chemicznego substancji oraz struktur kryształów
- umożliwiają obserwację przyćmionych ciał, np. pulsarów
- podczas I wojny światowej za pomocą promieni X szukano kul i ich odłamków w ciałach rannych żołnierzy
- W 1896 roku we Francji promienie X wykorzystywane były do diagnozowania gruźlicy
Jednak największe zastosowanie promienie X znalazły w medycynie- służą do otrzymywania obrazu organów wewnętrznych oraz leczenia schorzeń. Dzięki tomografowi rentegowskiemu udaje się uzyskać bardzo dokładny obraz nawet małych zmian chorobowych. Najczęściej robi się zdjęcia klatki piersiowej i układu kostnego; wprowadzenie promieni X do układu naczyniowego pozwala na uwidocznienie przebiegu i zarysu tętnic i żył. Promienie rentgenowskie wykorzystywane są również do niszczenia chorych komórek, najczęściej nowotworowych.

Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem jonizującym. W dawkach stosowanych w medycynie nie powinno powodować działań niepożądanych, choć należy zachować ostrożność i nie nadużywać go. Promieniowanie X może wpływać na rozwój płodu, duże dawki są szkodliwe dla zdrowia. Powodują przede wszystkim uszkodzenie szpiku kostnego, co prowadzi do niedokrwistości. Reakcja organizmu na promieniowanie X zależy przede wszystkim od jego ilości, wieku (im osoba młodsza tym bardziej narażona), rodzajów tkanek. Dlatego stosuje się fartuch z gumy ołowiowej, który chroni nie badane części ciała.

Promieniowanie rentgenowskie mogą mieć zarówno widmo ciągłe jak i liniowe. Podczas zmniejszania się prędkości cząstek naładowanych powstaje widmo promieniowania hamowania (widmo ciągłe), jego maksymalne natężenie zależy od energii cząstek bombardujących (zazwyczaj elektrony). Widmo liniowe (widmo promieniowania charakterystycznego) zależy od rodzaju atomów emitujących to promieniowanie, składa się ono z grup linii tworzących serie widmowe, odpowiadające przejściom elektronów na odpowiednie zewnętrzne powłoki elektronowe.

Promienie odkryte w 1895 roku przez niemieckiego fizyka Roentgena stały się nieodzowne w medycynie, pomagają też w wielu innych dziedzinach życia. Rozwój techniki i coraz większa wiedza o świecie pozwalają na tworzenie coraz lepszych aparatów rentgenowskich oraz poszerzanie stosowania promieni X.