Τι είναι οι ακτίνες Χ;

Οι ακτίνες Χ είναι μια υπερισχύουσα μορφή συνηθισμένου φωτός—κύματα που ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές με την ταχύτητα του φωτός, αλλά έχουν πολύ υψηλή ενέργεια. Όταν τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας στον καθοδικό σωλήνα χτυπούν ένα μεταλλικό εξάρτημα, είτε εμποδίζονται και απελευθερώνουν επιπλέον ενέργεια είτε εκτοξεύουν ηλεκτρόνια από τα άτομα που χτυπούν, πυροδοτώντας μια αναδιάταξη, η οποία επίσης απελευθερώνει ενέργεια. Και στις δύο περιπτώσεις, η εκπεμπόμενη ενέργεια έχει τη μορφή ακτίνων Χ, ένα είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με περισσότερη ενέργεια από το ορατό φως.

Αν τα μάτια μας μπορούσαν να δουν μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως οι ακτίνες Χ, το να κοιτάξουμε μέσα στο σώμα ανθρώπων ή ζώων θα ήταν μια εντελώς φαντασμαγορική εμπειρία. Θα μπορούσαμε να κοιτάξουμε απευθείας μέσα στο δέρμα και απευθείας στα οστά. Ίσως είναι καλό που δεν έχουμε αυτή την ικανότητα, παρόλα αυτά αποκομίζουμε τα οφέλη των ακτίνων Χ. Είναι τεράστιας σημασίας στην ιατρική διάγνωση, χρήσιμα στην επιστημονική έρευνα και κατάλληλα σε μια σειρά βιομηχανικών εφαρμογών. Πριν προχωρήσουμε σε λεπτομέρειες σχετικά με το τι ακριβώς είναι οι ακτίνες Χ και πώς χρησιμοποιούνται, ας δούμε πρώτα την καθηλωτική ιστορία πίσω από την ανακάλυψη των ακτίνων Χ.

Ανακάλυψη των ακτίνων Χ

Το 1895, ο Γερμανός φυσικός Wilhelm Roentgen έκανε ένα πείραμα με έναν καθοδικό σωλήνα - ένα γυάλινο δοχείο στο οποίο μια δέσμη ηλεκτρονίων φωτίζει μια φθορίζουσα επιφάνεια. Στη συνέχεια, το Roentgen τύλιξε χαρτόνι γύρω από το σωλήνα για να αποτρέψει τη διαφυγή του φωτός φθορισμού. Μετά από λίγο, παρατήρησε κάτι περίεργο… μια άλλη οθόνη έξω από το σωλήνα έλαμπε!

Wilhelm Roentgen (Φωτογραφία :Wikimedia Commons)

Με άλλα λόγια, αόρατες ακτίνες διέρρευσαν μέσα από το γυαλί, παρέκαμψαν το χαρτόνι και έφτασαν σε μια οθόνη έξω. Ο Ρέντγκεν δεν μπόρεσε να καταλάβει ποιες ήταν αυτές οι φωτεινές ακτίνες, έτσι λόγω του άγνωστου τους φύση, τα ονόμασε ακτίνες Χ. Στην πραγματικότητα, για την ανακάλυψη των ακτίνων Χ, ο Ρέντγκεν τιμήθηκε με το πρώτο βραβείο Νόμπελ το 1901.

Σήμερα, γνωρίζουμε τι συνέβαινε στο εργαστήριό του όλα αυτά τα χρόνια πριν.

Όταν τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας στον καθοδικό σωλήνα χτυπούν ένα μεταλλικό εξάρτημα, είτε εμποδίζονται και απελευθερώνουν επιπλέον ενέργεια είτε εκτοξεύουν ηλεκτρόνια από τα άτομα που χτυπούν, πυροδοτώντας μια αναδιάταξη, η οποία επίσης απελευθερώνει ενέργεια. Και στις δύο περιπτώσεις, η εκπεμπόμενη ενέργεια έχει τη μορφή ακτίνων Χ, ένα είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με περισσότερη ενέργεια από το ορατό φως.

Ακτίνες Χ

Για να το θέσω πιο απλά, οι ακτίνες Χ είναι μια υπερισχύουσα μορφή συνηθισμένου φωτός—κύματα που ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές με την ταχύτητα του φωτός, αλλά έχουν πολύ υψηλή ενέργεια.

Αν μπορούσατε να εντοπίσετε τις ακτίνες Χ σε ένα κομμάτι χαρτί και να τις μετρήσετε, θα ανακαλύψατε ότι το μήκος κύματος μιας ακτίνας Χ ήταν χιλιάδες φορές μικρότερο από τα μήκη κύματος του συνηθισμένου φωτός. Αυτό σημαίνει ότι η συχνότητά τους (πόσο συχνά κουνιούνται) είναι αντίστοιχα υψηλότερη. Η ενέργεια των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σχετίζεται άμεσα με τη συχνότητα αυτών των κυμάτων. Οι ακτίνες Χ, καθώς είναι κύματα υψηλής συχνότητας (σε μια περιοχή από 3×1016 Hz έως 3×1019 Hz) είναι εξαιρετικά ενεργητικές και επομένως πιο διεισδυτικές από τα συνηθισμένα κύματα φωτός. Ως αποτέλεσμα, τα κύματα φωτός έχουν περιορισμένη ικανότητα διέλευσης. όταν χτυπηθεί από ένα στερεό (αδιαφανές) υλικό, παύει να ταξιδεύει περαιτέρω. Ωστόσο, οι ακτίνες Χ μπορούν να ταξιδέψουν μέρη πολύ πιο βαθιά από το συνηθισμένο φως, χάρη στην ενεργειακή τους φύση. αν και μπορούν να σταματήσουν από ένα υλικό με πολύ μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων (μεγαλύτερο ατομικό αριθμό).

Τώρα, ας ρίξουμε μια λεπτομερή ματιά στις διεισδυτικές δυνάμεις και τους περιορισμούς των ακτίνων Χ.

Όσον αφορά το συνηθισμένο φως, γνωρίζουμε ότι ορισμένα (διαφανή) υλικά, όπως το γυαλί ή το πλαστικό, επιτρέπουν στα κύματα φωτός να περάσουν εύκολα μέσα από αυτά. Ωστόσο, ορισμένα άλλα (αδιαφανή) υλικά, όπως το ξύλο και το μέταλλο, απορροφούν τις ακτίνες φωτός, εμποδίζοντάς τους να προχωρήσουν περαιτέρω. Με τον ίδιο περίπου τρόπο, υπάρχουν υλικά που επιτρέπουν στις ακτίνες Χ να περάσουν μέσα από αυτά, ενώ άλλα δυσκολεύουν τη διασπορά των ακτίνων Χ μέσα από αυτά. Υπάρχουν ακόμη και λίγα υλικά που σταματούν τελείως τις ακτίνες Χ νεκρές στα ίχνη τους. Γιατί συμβαίνει αυτό;

Λοιπόν, όταν οι ακτίνες Χ εισέρχονται σε οποιοδήποτε υλικό, πρέπει να περάσουν με δύναμη μέσα από ένα πλήθος ατόμων για να αναδυθούν από την άλλη πλευρά του υλικού. Είναι τα ηλεκτρόνια που αποτελούν τη μεγαλύτερη πρόκληση για τις ακτίνες Χ να περάσουν μέσα από το υλικό. Όσο περισσότερα είναι τα ηλεκτρόνια, τόσο πιο δύσκολο γίνεται για τις ακτίνες Χ να ταξιδεύουν, καθώς όλο και περισσότερη ενέργεια απορροφάται από τα συγκρουόμενα ηλεκτρόνια του υλικού. Ωστόσο, οι ακτίνες Χ είναι αρκετά ισχυρές για να περάσουν μέσα από υλικό με λιγότερα ηλεκτρόνια. Το δέρμα μας, κατασκευασμένο από μόρια με βάση τον άνθρακα, είναι ένα πολύ καλό παράδειγμα υλικού που επιτρέπει στις ακτίνες Χ να παρακάμψουν. Αντίθετα, όταν οι ακτίνες Χ συναντούν ένα ισχυρό υλικό με πολλά ηλεκτρόνια (υψηλότερος ατομικός αριθμός), μπλοκάρονται. Ο μόλυβδος (Pb), ένα βαρύ μέταλλο με 82 ηλεκτρόνια, είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός στο να σταματήσει τις ακτίνες Χ. Γι' αυτό θα δείτε συχνά τεχνικούς εργαστηρίου ακτίνων Χ να φορούν ποδιές από μόλυβδο ή να στέκονται πίσω από οθόνες μολύβδου.

Τώρα που κατανοήσαμε την επιστημονική βάση αυτής της μορφής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ας δούμε μερικές από τις πιο χρήσιμες εφαρμογές των ακτίνων Χ.

(Φωτογραφίες:Pexels)

Εφαρμογές ακτίνων Χ

Φάρμακα

Οι ακτίνες Χ βρήκαν για πρώτη φορά την εφαρμογή τους στα φάρμακα πριν από έναν αιώνα. Σήμερα, εκατομμύρια ακτινογραφίες πραγματοποιούνται κάθε χρόνο σε όλο τον κόσμο. Αποτελούν ένα από τα πιο χρήσιμα εργαλεία στην ιατρική επιστήμη τόσο για τη διάγνωση όσο και για τη θεραπεία. Τα οστά και τα δόντια, κατασκευασμένα κυρίως από ασβέστιο, είναι πολύ σκληρά και δεν επιτρέπουν στις ακτίνες Χ να περάσουν μέσα από αυτά. Ωστόσο, το δέρμα και οι μύες μας αποτελούνται από μαλακούς ιστούς, που αποτελούνται από οργανικό υλικό όπως άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο κ.λπ., τα οποία έχουν χαμηλότερο ατομικό αριθμό, πράγμα που σημαίνει ότι είναι ευκολότερο για τις ακτίνες Χ να τους παρακάμψουν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, όταν κοιτάτε μια αναφορά ακτίνων Χ, μοιάζει με σκιές διαφόρων πραγμάτων μέσα στο σώμα σας, αλλά αυτό είναι πραγματικά πολύ χρήσιμο στην ιατρική διάγνωση. Οι ακτινογραφίες μπορούν να ανιχνεύσουν κατάγματα στα οστά, όγκους στα κύτταρα και ορισμένες παθήσεις των πνευμόνων όπως το εμφύσημα και η φυματίωση. Οι οδοντίατροι χρησιμοποιούν ακτίνες Χ για να καταλάβουν τι συμβαίνει μέσα στο στόμα σας, επιτρέποντάς τους να αξιολογήσουν την υγεία και την κατάσταση των δοντιών και των ούλων σας, τα οποία δεν θα μπορούσαν να δουν με άλλα όργανα/εργαλεία.

Ακτινογραφία γνάθου (Παράδοση εικόνας:maxpixel)

Ασφάλεια

Ακριβώς όπως οι ακτίνες Χ μπορούν να βοηθήσουν στη σάρωση βασικών περιοχών μέσα στο σώμα μας, μπορούν επίσης να είναι χρήσιμες στον έλεγχο του τι υπάρχει μέσα στις τσάντες μας σε σημεία ελέγχου ασφαλείας στα αεροδρόμια. Οι ακτίνες Χ μπορούν να ρέουν μέσα από μαλακά υλικά, όπως πλαστικό ή δέρμα, αλλά απορροφώνται από βαριά υλικά, τα οποία χρησιμοποιούνται συχνά σε όπλα και πυρομαχικά, όπως μαχαίρια, όπλα και άλλα όπλα. Γενικά, οι αξιωματούχοι ασφαλείας διαθέτουν οθόνη υπολογιστή παρακολούθησης, η οποία μεταδίδει τηλεοπτικά το εσωτερικό των βαλιτσών και των αποσκευών σε πραγματικό χρόνο, ώστε ο αξιωματικός να μπορεί να παρακολουθεί για οποιοδήποτε ύποπτο/απαγορευμένο υλικό.

Σαρωτής ασφαλείας (Image Credit:Flickr)

Επιστημονική έρευνα

Εκτός από την ιατρική, μια από τις πρώτες χρήσεις των ακτίνων Χ ήταν η μελέτη της εσωτερικής δομής των υλικών. Όταν μια δέσμη ακτίνων Χ εκτοξεύεται σε έναν κρύσταλλο, τα άτομα διασκορπίζουν τη δέσμη με ακριβή τρόπο, ρίχνοντας μια εικονική σκιά του εσωτερικού σχεδίου του κρυστάλλου. Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές μπορούν να μετρήσουν την απόσταση μεταξύ των ατόμων. Αυτό ονομάζεται κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ ή περίθλαση ακτίνων Χ. Αυτή η τεχνική έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην ανακάλυψη της δομής του DNA στη δεκαετία του 1950.