Τι γνωρίζουμε για τις ακτίνες Χ;

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Τον 19ο αιώνα, η ακτινοβολία αόρατη στο ανθρώπινο μάτι, ικανή να περάσει μέσα από σάρκα και άλλα υλικά, φαινόταν σαν κάτι εντελώς φανταστικό. Τώρα, οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται ευρέως για τη δημιουργία ιατρικών εικόνων, τη διεξαγωγή ακτινοθεραπείας, την ανάλυση έργων τέχνης και την επίλυση προβλημάτων πυρηνικής ενέργειας.

Πώς ανακαλύφθηκε η ακτινοβολία ακτίνων Χ και πώς βοηθά τους ανθρώπους - ανακαλύπτουμε μαζί με τον φυσικό Alexander Nikolaevich Dolgov.

Η ανακάλυψη των ακτίνων Χ

Από τα τέλη του 19ου αιώνα, η επιστήμη άρχισε να παίζει έναν θεμελιωδώς νέο ρόλο στη διαμόρφωση της εικόνας του κόσμου. Πριν από έναν αιώνα, οι δραστηριότητες των επιστημόνων είχαν ερασιτεχνικό και ιδιωτικό χαρακτήρα. Ωστόσο, μέχρι τα τέλη του 18ου αιώνα, ως αποτέλεσμα της επιστημονικής και τεχνολογικής επανάστασης, η επιστήμη μετατράπηκε σε μια συστηματική δραστηριότητα στην οποία κάθε ανακάλυψη έγινε δυνατή χάρη στη συμβολή πολλών ειδικών.

Άρχισαν να εμφανίζονται ερευνητικά ινστιτούτα, περιοδικά επιστημονικά περιοδικά, προέκυψε ανταγωνισμός και αγώνας για την αναγνώριση των πνευματικών δικαιωμάτων για επιστημονικά επιτεύγματα και τεχνικές καινοτομίες. Όλες αυτές οι διαδικασίες έλαβαν χώρα στη Γερμανική Αυτοκρατορία, όπου μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, ο Κάιζερ ενθάρρυνε επιστημονικά επιτεύγματα που αύξησαν το κύρος της χώρας στην παγκόσμια σκηνή.

Ένας από τους επιστήμονες που εργάστηκαν με ενθουσιασμό αυτή την περίοδο ήταν ο καθηγητής φυσικής, πρύτανης του Πανεπιστημίου του Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. Στις 8 Νοεμβρίου 1895, έμεινε μέχρι αργά στο εργαστήριο, όπως συνέβαινε συχνά, και αποφάσισε να πραγματοποιήσει μια πειραματική μελέτη της ηλεκτρικής εκκένωσης σε γυάλινους σωλήνες κενού. Σκότωσε το δωμάτιο και τύλιξε έναν από τους σωλήνες σε αδιαφανές μαύρο χαρτί για να διευκολύνει την παρατήρηση των οπτικών φαινομένων που συνοδεύουν την εκκένωση. Προς έκπληξή μου

Ο Ρέντγκεν είδε μια ταινία φθορισμού σε μια κοντινή οθόνη καλυμμένη με κρυστάλλους κυανοπλατινίτη βαρίου. Είναι απίθανο ένας επιστήμονας να φανταστεί τότε ότι βρισκόταν στα πρόθυρα μιας από τις σημαντικότερες επιστημονικές ανακαλύψεις της εποχής του. Το επόμενο έτος, θα γραφτούν πάνω από χίλιες δημοσιεύσεις για τις ακτίνες Χ, οι γιατροί θα χρησιμοποιήσουν αμέσως την εφεύρεση, χάρη σε αυτήν, η ραδιενέργεια θα ανακαλυφθεί στο μέλλον και θα εμφανιστούν νέες κατευθύνσεις της επιστήμης.

Ο Ρέντγκεν αφιέρωσε τις επόμενες εβδομάδες στη διερεύνηση της φύσης της ακατανόητης λάμψης και διαπίστωσε ότι ο φθορισμός εμφανιζόταν κάθε φορά που εφάρμοζε ρεύμα στον σωλήνα. Ο σωλήνας ήταν η πηγή της ακτινοβολίας, όχι κάποιο άλλο μέρος του ηλεκτρικού κυκλώματος. Μη γνωρίζοντας τι αντιμετώπιζε, ο Ρέντγκεν αποφάσισε να χαρακτηρίσει αυτό το φαινόμενο ως ακτίνες Χ ή ακτίνες Χ. Περαιτέρω ο Roentgen ανακάλυψε ότι αυτή η ακτινοβολία μπορεί να διαπεράσει σχεδόν όλα τα αντικείμενα σε διαφορετικά βάθη, ανάλογα με το πάχος του αντικειμένου και την πυκνότητα της ουσίας.

Έτσι, ένας μικρός μολύβδινος δίσκος μεταξύ του σωλήνα εκκένωσης και της οθόνης αποδείχθηκε ότι ήταν αδιαπέραστος από τις ακτίνες Χ και τα οστά του χεριού ρίχνουν μια πιο σκοτεινή σκιά στην οθόνη, που περιβάλλεται από μια ελαφρύτερη σκιά από μαλακούς ιστούς. Σύντομα ο επιστήμονας ανακάλυψε ότι οι ακτίνες Χ προκαλούν όχι μόνο τη λάμψη της οθόνης που καλύπτεται με κυανοπλατινίτη βαρίου, αλλά και το σκοτάδι των φωτογραφικών πλακών (μετά την ανάπτυξη) σε εκείνα τα μέρη όπου οι ακτίνες Χ έπεσαν στο φωτογραφικό γαλάκτωμα.

Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων του, ο Ρέντγκεν ήταν πεπεισμένος ότι είχε ανακαλύψει ακτινοβολία άγνωστη στην επιστήμη. Στις 28 Δεκεμβρίου 1895, ανέφερε τα αποτελέσματα της έρευνας σε ένα άρθρο «On a new type of radiation» στο περιοδικό Annals of Physics and Chemistry. Ταυτόχρονα, έστειλε στους επιστήμονες τις φωτογραφίες του χεριού της συζύγου του, Άννας Μπέρθα Λούντβιχ, που αργότερα έγινε διάσημη.

Χάρη στον παλιό φίλο του Ρέντγκεν, τον Αυστριακό φυσικό Φραντς Έξνερ, οι κάτοικοι της Βιέννης ήταν οι πρώτοι που είδαν αυτές τις φωτογραφίες στις 5 Ιανουαρίου 1896 στις σελίδες της εφημερίδας Die Presse. Την επόμενη κιόλας μέρα, πληροφορίες για τα εγκαίνια μεταδόθηκαν στην εφημερίδα London Chronicle. Έτσι η ανακάλυψη του Ρέντγκεν άρχισε σταδιακά να μπαίνει στην καθημερινότητα των ανθρώπων. Η πρακτική εφαρμογή βρέθηκε σχεδόν αμέσως: στις 20 Ιανουαρίου 1896, στο Νιου Χάμσαϊρ, οι γιατροί αντιμετώπισαν έναν άνδρα με σπασμένο χέρι χρησιμοποιώντας μια νέα διαγνωστική μέθοδο - μια ακτινογραφία.

Πρώιμη χρήση ακτίνων Χ

Κατά τη διάρκεια πολλών ετών, οι εικόνες ακτίνων Χ έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται ενεργά για πιο ακριβείς λειτουργίες. Ήδη 14 ημέρες μετά το άνοιγμα τους, ο Friedrich Otto Valkhoff έκανε την πρώτη οδοντική ακτινογραφία. Και μετά από αυτό, μαζί με τον Fritz Giesel, ίδρυσαν το πρώτο οδοντιατρικό εργαστήριο ακτίνων Χ στον κόσμο.

Μέχρι το 1900, 5 χρόνια μετά την ανακάλυψή του, η χρήση των ακτίνων Χ στη διάγνωση θεωρούνταν αναπόσπαστο μέρος της ιατρικής πρακτικής.

Τα στατιστικά στοιχεία που συνέταξε το παλαιότερο νοσοκομείο της Πενσυλβάνια μπορούν να θεωρηθούν ενδεικτικά της διάδοσης των τεχνολογιών που βασίζονται στην ακτινοβολία ακτίνων Χ. Σύμφωνα με αυτήν, το 1900, μόνο το 1-2% περίπου των ασθενών λάμβανε βοήθεια με ακτινογραφίες, ενώ μέχρι το 1925 υπήρχαν ήδη 25%.

Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιήθηκαν με πολύ ασυνήθιστο τρόπο εκείνη την εποχή. Για παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκαν για την παροχή υπηρεσιών αποτρίχωσης. Για πολύ καιρό, αυτή η μέθοδος θεωρούνταν προτιμότερη σε σύγκριση με τις πιο επώδυνες - λαβίδες ή κερί. Επιπλέον, οι ακτίνες Χ έχουν χρησιμοποιηθεί σε συσκευές τοποθέτησης υποδημάτων - δοκιμαστικά φθοροσκόπια (παιδοσκόπια). Αυτά ήταν μηχανήματα ακτίνων Χ με ειδική εγκοπή για τα πόδια, καθώς και παράθυρα από τα οποία ο πελάτης και οι πωλητές μπορούσαν να αξιολογήσουν πώς κάθονταν τα παπούτσια.

Η πρώιμη χρήση της απεικόνισης ακτίνων Χ από μια σύγχρονη προοπτική ασφάλειας εγείρει πολλά ερωτήματα. Το πρόβλημα ήταν ότι την εποχή της ανακάλυψης των ακτίνων Χ, πρακτικά τίποτα δεν ήταν γνωστό για την ακτινοβολία και τις συνέπειές της, γι' αυτό οι πρωτοπόροι που χρησιμοποίησαν τη νέα εφεύρεση αντιμετώπισαν τις επιβλαβείς επιπτώσεις της από τη δική τους εμπειρία. Οι αρνητικές συνέπειες της αυξημένης έκθεσης έγινε μαζικό φαινόμενο στις αρχές του 19ου αιώνα. ΧΧ αιώνα, και οι άνθρωποι άρχισαν σταδιακά να συνειδητοποιούν τους κινδύνους της αλόγιστης χρήσης των ακτίνων Χ.

Η φύση των ακτίνων Χ

Η ακτινοβολία ακτίνων Χ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με ενέργειες φωτονίων από ~ 100 eV έως 250 keV, η οποία βρίσκεται στην κλίμακα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μεταξύ της υπεριώδους ακτινοβολίας και της ακτινοβολίας γάμμα. Είναι μέρος της φυσικής ακτινοβολίας που εμφανίζεται στα ραδιοϊσότοπα όταν τα άτομα των στοιχείων διεγείρονται από ένα ρεύμα ηλεκτρονίων, σωματιδίων άλφα ή γάμμα κβάντα, στα οποία τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται από τα ηλεκτρονιακά κελύφη του ατόμου. Η ακτινοβολία ακτίνων Χ εμφανίζεται όταν τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται με επιτάχυνση, ιδίως όταν τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται στο ηλεκτρικό πεδίο των ατόμων μιας ουσίας.

Διακρίνονται οι μαλακές και οι σκληρές ακτίνες Χ, το υπό όρους όριο μεταξύ των οποίων στην κλίμακα μήκους κύματος είναι περίπου 0,2 nm, που αντιστοιχεί σε ενέργεια φωτονίου περίπου 6 keV. Η ακτινοβολία ακτίνων Χ είναι τόσο διεισδυτική, λόγω του μικρού μήκους κύματός της, όσο και ιονίζουσα, καθώς όταν διέρχεται από μια ουσία, αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια, καταρρίπτοντάς τα από άτομα, διασπώντας τα σε ιόντα και ηλεκτρόνια και αλλάζοντας τη δομή της ουσίας στο που ενεργεί.

Οι ακτίνες Χ προκαλούν τη λάμψη μιας χημικής ένωσης που ονομάζεται φθορισμός. Η ακτινοβολία των ατόμων του δείγματος με φωτόνια υψηλής ενέργειας προκαλεί την εκπομπή ηλεκτρονίων - φεύγουν από το άτομο. Σε ένα ή περισσότερα τροχιακά ηλεκτρονίων, σχηματίζονται «οπές» - κενά, λόγω των οποίων τα άτομα περνούν σε διεγερμένη κατάσταση, δηλαδή γίνονται ασταθή. Εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου αργότερα, τα άτομα επιστρέφουν σε μια σταθερή κατάσταση, όταν τα κενά στα εσωτερικά τροχιακά γεμίζουν με ηλεκτρόνια από τα εξωτερικά τροχιακά.

Αυτή η μετάβαση συνοδεύεται από την εκπομπή ενέργειας με τη μορφή δευτερεύοντος φωτονίου, ως εκ τούτου προκύπτει φθορισμός.

Αστρονομία ακτίνων Χ

Στη Γη, σπάνια συναντάμε ακτίνες Χ, αλλά βρίσκονται αρκετά συχνά στο διάστημα. Εκεί εμφανίζεται φυσικά λόγω της δραστηριότητας πολλών διαστημικών αντικειμένων. Αυτό κατέστησε δυνατή την αστρονομία με ακτίνες Χ. Η ενέργεια των φωτονίων ακτίνων Χ είναι πολύ υψηλότερη από τα οπτικά, επομένως, στην περιοχή ακτίνων Χ εκπέμπει μια ουσία που θερμαίνεται σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.

Αυτές οι κοσμικές πηγές ακτινοβολίας ακτίνων Χ δεν αποτελούν αξιοσημείωτο μέρος της φυσικής ακτινοβολίας υποβάθρου για εμάς και επομένως δεν απειλούν τους ανθρώπους με κανέναν τρόπο. Η μόνη εξαίρεση μπορεί να είναι μια τέτοια πηγή σκληρής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όπως μια έκρηξη σουπερνόβα, η οποία συνέβη αρκετά κοντά στο ηλιακό σύστημα.

Πώς να δημιουργήσετε ακτίνες Χ τεχνητά;

Οι συσκευές ακτίνων Χ εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως για μη καταστροφική ενδοσκόπηση (εικόνες ακτίνων Χ στην ιατρική, ανίχνευση ελαττωμάτων στην τεχνολογία). Το κύριο συστατικό τους είναι ένας σωλήνας ακτίνων Χ, ο οποίος αποτελείται από μια κάθοδο και μια άνοδο. Τα ηλεκτρόδια του σωλήνα συνδέονται με μια πηγή υψηλής τάσης, συνήθως δεκάδων ή και εκατοντάδων χιλιάδων βολτ. Όταν θερμαίνεται, η κάθοδος εκπέμπει ηλεκτρόνια, τα οποία επιταχύνονται από το παραγόμενο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ της καθόδου και της ανόδου.

Σε σύγκρουση με την άνοδο, τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται και χάνουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται ακτινοβολία bremsstrahlung της περιοχής ακτίνων Χ, αλλά το κυρίαρχο μέρος της ενέργειας των ηλεκτρονίων μετατρέπεται σε θερμότητα, οπότε η άνοδος ψύχεται.

Ο σωλήνας ακτίνων Χ σταθερής ή παλμικής δράσης εξακολουθεί να είναι η πιο διαδεδομένη πηγή ακτινοβολίας ακτίνων Χ, αλλά απέχει πολύ από τη μοναδική. Για τη λήψη παλμών ακτινοβολίας υψηλής έντασης, χρησιμοποιούνται εκκενώσεις υψηλού ρεύματος, στις οποίες το κανάλι πλάσματος του ρέοντος ρεύματος συμπιέζεται από το δικό του μαγνητικό πεδίο του ρεύματος - το λεγόμενο τσίμπημα.

Εάν η εκκένωση λαμβάνει χώρα σε ένα μέσο ελαφρών στοιχείων, για παράδειγμα, σε ένα μέσο υδρογόνου, τότε παίζει το ρόλο ενός αποτελεσματικού επιταχυντή ηλεκτρονίων από το ηλεκτρικό πεδίο που προκύπτει από την ίδια την εκφόρτιση. Αυτή η εκφόρτιση μπορεί να υπερβεί σημαντικά το πεδίο που δημιουργείται από μια εξωτερική πηγή ρεύματος. Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνονται παλμοί σκληρής ακτινοβολίας ακτίνων Χ με υψηλή ενέργεια παραγόμενων κβάντων (εκατοντάδες kiloelectrovolt), που έχουν υψηλή διεισδυτική ισχύ.

Για τη λήψη ακτίνων Χ σε ένα ευρύ φάσμα φασμάτων, χρησιμοποιούνται επιταχυντές ηλεκτρονίων - σύγχροτρον. Σε αυτά, η ακτινοβολία σχηματίζεται μέσα σε έναν δακτυλιοειδή θάλαμο κενού, στον οποίο μια στενά κατευθυνόμενη δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, επιταχυνόμενη σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός, κινείται σε κυκλική τροχιά. Κατά την περιστροφή, υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, τα ιπτάμενα ηλεκτρόνια εκπέμπουν δέσμες φωτονίων εφαπτομενικά στην τροχιά σε ένα ευρύ φάσμα, το μέγιστο των οποίων εμπίπτει στην περιοχή ακτίνων Χ.

Πώς ανιχνεύονται οι ακτίνες Χ

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, ένα λεπτό στρώμα φωσφόρου ή φωτογραφικού γαλακτώματος που εφαρμόζεται στην επιφάνεια μιας γυάλινης πλάκας ή διαφανούς πολυμερούς φιλμ χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση και τη μέτρηση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Το πρώτο έλαμψε στο οπτικό εύρος του φάσματος υπό τη δράση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ, ενώ η οπτική διαφάνεια της επικάλυψης άλλαξε στο φιλμ υπό τη δράση μιας χημικής αντίδρασης.

Επί του παρόντος, οι ηλεκτρονικοί ανιχνευτές χρησιμοποιούνται συχνότερα για την καταγραφή της ακτινοβολίας ακτίνων Χ - συσκευές που παράγουν ηλεκτρικό παλμό όταν απορροφάται ένα κβάντο ακτινοβολίας στον ευαίσθητο όγκο του ανιχνευτή. Διαφέρουν ως προς την αρχή της μετατροπής της ενέργειας της απορροφούμενης ακτινοβολίας σε ηλεκτρικά σήματα.

Οι ανιχνευτές ακτίνων Χ με ηλεκτρονική καταχώριση μπορούν να χωριστούν σε ιονισμό, η δράση του οποίου βασίζεται στον ιονισμό μιας ουσίας και σε ραδιοφωταύγεια, συμπεριλαμβανομένου του σπινθηρισμού, χρησιμοποιώντας τη φωταύγεια μιας ουσίας υπό τη δράση ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Οι ανιχνευτές ιονισμού, με τη σειρά τους, χωρίζονται σε γεμισμένους με αέριο και ημιαγωγούς, ανάλογα με το μέσο ανίχνευσης.

Οι κύριοι τύποι ανιχνευτών γεμάτων αερίου είναι οι θάλαμοι ιονισμού, οι μετρητές Geiger (μετρητές Geiger-Muller) και οι αναλογικοί μετρητές εκκένωσης αερίου. Τα κβάντα ακτινοβολίας που εισέρχονται στο περιβάλλον εργασίας του μετρητή προκαλούν ιονισμό του αερίου και τη ροή του ρεύματος, η οποία καταγράφεται. Σε έναν ανιχνευτή ημιαγωγών, σχηματίζονται ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών υπό τη δράση κβαντών ακτινοβολίας, τα οποία καθιστούν επίσης δυνατή τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του σώματος του ανιχνευτή.

Το κύριο συστατικό των μετρητών σπινθηρισμού σε μια συσκευή κενού είναι ένας σωλήνας φωτοπολλαπλασιαστή (PMT), ο οποίος χρησιμοποιεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο για να μετατρέψει την ακτινοβολία σε ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων και το φαινόμενο της δευτερογενούς εκπομπής ηλεκτρονίων για να ενισχύσει το ρεύμα των δημιουργούμενων φορτισμένων σωματιδίων. Ο φωτοπολλαπλασιαστής έχει μια φωτοκάθοδο και ένα σύστημα διαδοχικών επιταχυνόμενων ηλεκτροδίων - δυνόδων, κατά την πρόσκρουση στην οποία πολλαπλασιάζονται τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια.

Ο δευτερεύων πολλαπλασιαστής ηλεκτρονίων είναι μια ανοιχτή συσκευή κενού (λειτουργεί μόνο υπό συνθήκες κενού), στην οποία η ακτινοβολία ακτίνων Χ στην είσοδο μετατρέπεται σε ρεύμα πρωτογενών ηλεκτρονίων και στη συνέχεια ενισχύεται λόγω της δευτερογενούς εκπομπής ηλεκτρονίων καθώς διαδίδονται στο κανάλι πολλαπλασιαστή.

Οι πλάκες μικροκαναλιού, οι οποίες είναι ένας τεράστιος αριθμός ξεχωριστών μικροσκοπικών καναλιών που διεισδύουν στον ανιχνευτή πλακών, λειτουργούν σύμφωνα με την ίδια αρχή. Μπορούν επιπλέον να παρέχουν χωρική ανάλυση και σχηματισμό οπτικής εικόνας της διατομής της ροής που προσπίπτει στον ανιχνευτή ακτινοβολίας ακτίνων Χ βομβαρδίζοντας την εξερχόμενη ροή ηλεκτρονίων μιας ημιδιαφανούς οθόνης με ένα φώσφορο που εναποτίθεται σε αυτό.

Οι ακτινογραφίες στην ιατρική

Η ικανότητα των ακτίνων Χ να λάμπουν μέσα από υλικά αντικείμενα όχι μόνο δίνει στους ανθρώπους τη δυνατότητα να δημιουργούν απλές ακτίνες Χ, αλλά ανοίγει επίσης δυνατότητες για πιο προηγμένα διαγνωστικά εργαλεία. Για παράδειγμα, βρίσκεται στην καρδιά της αξονικής τομογραφίας (CT).

Η πηγή και ο δέκτης ακτίνων Χ περιστρέφονται μέσα στον δακτύλιο στον οποίο βρίσκεται ο ασθενής. Τα δεδομένα που λαμβάνονται για το πώς οι ιστοί του σώματος απορροφούν τις ακτίνες Χ ανακατασκευάζονται από έναν υπολογιστή σε μια τρισδιάστατη εικόνα. Η αξονική τομογραφία είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη διάγνωση του εγκεφαλικού, και παρόλο που είναι λιγότερο ακριβής από την απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού του εγκεφάλου, χρειάζεται πολύ λιγότερο χρόνο.

Μια σχετικά νέα κατεύθυνση, που αναπτύσσεται τώρα στη μικροβιολογία και την ιατρική, είναι η χρήση μαλακής ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Όταν ένας ζωντανός οργανισμός είναι ημιδιαφανής, καθιστά δυνατή τη λήψη εικόνας των αιμοφόρων αγγείων, τη λεπτομερή μελέτη της δομής των μαλακών ιστών, ακόμη και τη διεξαγωγή μικροβιολογικών μελετών σε κυτταρικό επίπεδο.

Ένα μικροσκόπιο ακτίνων Χ που χρησιμοποιεί ακτινοβολία από εκκένωση τύπου τσιμπήματος στο πλάσμα βαρέων στοιχείων καθιστά δυνατή την προβολή τέτοιων λεπτομερειών της δομής ενός ζωντανού κυττάρου,που δεν μπορεί να φανεί με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ακόμη και σε μια ειδικά προετοιμασμένη κυτταρική δομή.

Ένας από τους τύπους ακτινοθεραπείας που χρησιμοποιείται για τη θεραπεία κακοήθων όγκων χρησιμοποιεί σκληρές ακτίνες Χ, κάτι που καθίσταται δυνατό λόγω της ιονιστικής του δράσης, η οποία καταστρέφει τον ιστό ενός βιολογικού αντικειμένου. Σε αυτή την περίπτωση, ένας επιταχυντής ηλεκτρονίων χρησιμοποιείται ως πηγή ακτινοβολίας.

Η ακτινογραφία στην τεχνολογία

Οι μαλακές ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται σε έρευνες που στοχεύουν στην επίλυση του προβλήματος της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης. Για να ξεκινήσετε τη διαδικασία, πρέπει να δημιουργήσετε ένα ωστικό κύμα ανάκρουσης ακτινοβολώντας έναν μικρό στόχο δευτερίου και τριτίου με μαλακές ακτίνες Χ από μια ηλεκτρική εκκένωση και θερμαίνοντας αμέσως το κέλυφος αυτού του στόχου σε κατάσταση πλάσματος.

Αυτό το κύμα συμπιέζει το υλικό στόχο σε πυκνότητα χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα ενός στερεού και το θερμαίνει σε θερμοπυρηνική θερμοκρασία. Η απελευθέρωση της ενέργειας της θερμοπυρηνικής σύντηξης γίνεται σε σύντομο χρονικό διάστημα, ενώ το θερμό πλάσμα διασκορπίζεται με αδράνεια.

Η ικανότητα ημιδιαφανούς καθιστά δυνατή την ακτινογραφία - μια τεχνική απεικόνισης που σας επιτρέπει να εμφανίσετε την εσωτερική δομή ενός αδιαφανούς αντικειμένου από μέταλλο, για παράδειγμα. Είναι αδύνατο να προσδιοριστεί με το μάτι εάν οι κατασκευές της γέφυρας έχουν συγκολληθεί σταθερά, εάν η ραφή στον αγωγό αερίου είναι αεροστεγής και εάν οι ράγες εφαρμόζουν σφιχτά μεταξύ τους.

Ως εκ τούτου, στη βιομηχανία, η ακτινογραφία χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ελαττωμάτων - παρακολούθηση της αξιοπιστίας των κύριων λειτουργικών ιδιοτήτων και παραμέτρων ενός αντικειμένου ή των μεμονωμένων στοιχείων του, κάτι που δεν απαιτεί την απόσυρση του αντικειμένου ή την αποσυναρμολόγηση του.

Η φασματομετρία φθορισμού ακτίνων Χ βασίζεται στην επίδραση του φθορισμού - μια μέθοδος ανάλυσης που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων στοιχείων από βηρύλλιο έως ουράνιο στην περιοχή από 0.0001 έως 100% σε ουσίες διαφορετικής προέλευσης.

Όταν ένα δείγμα ακτινοβολείται με μια ισχυρή ροή ακτινοβολίας από ένα σωλήνα ακτίνων Χ, εμφανίζεται χαρακτηριστική φθορίζουσα ακτινοβολία ατόμων, η οποία είναι ανάλογη με τη συγκέντρωσή τους στο δείγμα. Επί του παρόντος, πρακτικά κάθε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό, χωρίς καμία δυσκολία, της λεπτομερούς στοιχειακής σύνθεσης των μελετώμενων μικροαντικειμένων με τη μέθοδο της ανάλυσης φθορισμού ακτίνων Χ.

Οι ακτίνες Χ στην ιστορία της τέχνης

Η ικανότητα των ακτίνων Χ να διαπερνά και να δημιουργεί ένα εφέ φθορισμού χρησιμοποιείται επίσης για τη μελέτη ζωγραφικής. Αυτό που κρύβεται κάτω από την κορυφαία στρώση του χρώματος μπορεί να πει πολλά για την ιστορία της δημιουργίας του καμβά. Για παράδειγμα, στην επιδέξια δουλειά με πολλά στρώματα χρώματος μπορεί να βρεθεί ότι μια εικόνα είναι μοναδική στο έργο ενός καλλιτέχνη. Είναι επίσης σημαντικό να ληφθεί υπόψη η δομή των στρωμάτων του πίνακα κατά την επιλογή των καταλληλότερων συνθηκών αποθήκευσης για τον καμβά.

Για όλα αυτά, η ακτινοβολία ακτίνων Χ είναι απαραίτητη, επιτρέποντάς σας να κοιτάζετε κάτω από τα ανώτερα στρώματα της εικόνας χωρίς να βλάπτεται.

Σημαντικές εξελίξεις προς αυτή την κατεύθυνση είναι οι νέες μέθοδοι εξειδικευμένες για την εργασία με έργα τέχνης. Ο μακροσκοπικός φθορισμός είναι μια παραλλαγή της ανάλυσης φθορισμού ακτίνων Χ που είναι κατάλληλη για την απεικόνιση της δομής κατανομής βασικών στοιχείων, κυρίως μετάλλων, που υπάρχουν σε περιοχές περίπου 0,5-1 τετραγωνικό μέτρο ή περισσότερο.

Από την άλλη πλευρά, η λαμινογραφία ακτίνων Χ, μια παραλλαγή της υπολογιστικής τομογραφίας ακτίνων Χ, η οποία είναι πιο κατάλληλη για τη μελέτη επίπεδων επιφανειών, φαίνεται πολλά υποσχόμενη για τη λήψη εικόνων μεμονωμένων στρωμάτων μιας εικόνας. Αυτές οι μέθοδοι μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη της χημικής σύνθεσης του στρώματος βαφής. Αυτό επιτρέπει στον καμβά να χρονολογηθεί, συμπεριλαμβανομένου του εντοπισμού μιας πλαστογραφίας.

Οι ακτίνες Χ σάς επιτρέπουν να μάθετε τη δομή μιας ουσίας

Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ είναι μια επιστημονική κατεύθυνση που σχετίζεται με την αναγνώριση της δομής της ύλης σε ατομικό και μοριακό επίπεδο. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των κρυσταλλικών σωμάτων είναι η πολλαπλή διατεταγμένη επανάληψη στη χωρική δομή των ίδιων στοιχείων (κυττάρων), που αποτελείται από ένα ορισμένο σύνολο ατόμων, μορίων ή ιόντων.

Η κύρια μέθοδος έρευνας συνίσταται στην έκθεση ενός κρυσταλλικού δείγματος σε μια στενή δέσμη ακτίνων Χ χρησιμοποιώντας μια κάμερα ακτίνων Χ. Η φωτογραφία που προκύπτει δείχνει μια εικόνα διαθλασμένων ακτίνων Χ που περνούν μέσα από τον κρύσταλλο, από την οποία οι επιστήμονες μπορούν στη συνέχεια να εμφανίσουν οπτικά τη χωρική δομή του, που ονομάζεται κρυσταλλικό πλέγμα. Διάφοροι τρόποι εφαρμογής αυτής της μεθόδου ονομάζονται δομική ανάλυση ακτίνων Χ.

Η δομική ανάλυση ακτίνων Χ κρυσταλλικών ουσιών αποτελείται από δύο στάδια:

1. Προσδιορισμός του μεγέθους του μοναδιαίου κυττάρου του κρυστάλλου, του αριθμού των σωματιδίων (άτομα, μόρια) στο μοναδιαίο κύτταρο και της συμμετρίας της διάταξης των σωματιδίων. Τα δεδομένα αυτά λαμβάνονται με ανάλυση της γεωμετρίας της θέσης των μεγίστων περίθλασης.
2. Υπολογισμός της πυκνότητας ηλεκτρονίων μέσα στο μοναδιαίο κύτταρο και προσδιορισμός των ατομικών συντεταγμένων, οι οποίες προσδιορίζονται με τη θέση των μέγιστων πυκνότητας ηλεκτρονίων. Αυτά τα δεδομένα λαμβάνονται με ανάλυση της έντασης των μέγιστων περίθλασης.

Ορισμένοι μοριακοί βιολόγοι προβλέπουν ότι στην απεικόνιση των μεγαλύτερων και πιο πολύπλοκων μορίων, η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ μπορεί να αντικατασταθεί από μια νέα τεχνική που ονομάζεται κρυογονική ηλεκτρονική μικροσκοπία.

Ένα από τα νεότερα εργαλεία στη χημική ανάλυση ήταν ο σαρωτής φιλμ του Henderson, τον οποίο χρησιμοποίησε στην πρωτοποριακή του εργασία στην κρυογονική ηλεκτρονική μικροσκοπία. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος εξακολουθεί να είναι αρκετά ακριβή και επομένως είναι απίθανο να αντικαταστήσει πλήρως την κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ στο εγγύς μέλλον.

Ένας σχετικά νέος τομέας έρευνας και τεχνικών εφαρμογών που σχετίζεται με τη χρήση ακτίνων Χ είναι η μικροσκοπία ακτίνων Χ. Έχει σχεδιαστεί για να λαμβάνει μια μεγεθυμένη εικόνα του υπό μελέτη αντικειμένου σε πραγματικό χώρο σε δύο ή τρεις διαστάσεις χρησιμοποιώντας οπτική εστίασης.

Το όριο περίθλασης της χωρικής ανάλυσης στη μικροσκοπία ακτίνων Χ λόγω του μικρού μήκους κύματος της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται είναι περίπου 1000 φορές καλύτερο από την αντίστοιχη τιμή για ένα οπτικό μικροσκόπιο. Επιπλέον, η διεισδυτική ισχύς της ακτινοβολίας ακτίνων Χ καθιστά δυνατή τη μελέτη της εσωτερικής δομής δειγμάτων που είναι εντελώς αδιαφανή στο ορατό φως.

Και παρόλο που το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο έχει το πλεονέκτημα της ελαφρώς υψηλότερης χωρικής ανάλυσης, δεν είναι μια μη καταστροφική μέθοδος έρευνας, καθώς απαιτεί κενό και δείγματα με μεταλλικές ή επιμεταλλωμένες επιφάνειες, κάτι που είναι εντελώς καταστροφικό, για παράδειγμα, για βιολογικά αντικείμενα.