Ce sunt razele X?

Razele X sunt tipuri de radiații electromagnetice, probabil cele mai cunoscute pentru capacitatea lor de a vedea pe pielea unei persoane și de a dezvălui imagini cu oasele de sub ea. Avansele tehnologiei au dus la fascicule de raze X mai puternice și focalizate, precum și aplicații din ce în ce mai mari ale acestor unde de lumină, de la imagini de celule biologice teensy și componente structurale ale materialelor precum cimentul până la uciderea celulelor canceroase.  

Razele X sunt aproximativ clasificate în raze X moi și raze X dure. Razele X moi au lungimi de undă relativ scurte de aproximativ 10 nanometri (un nanometru este de o miliardime de metru) și astfel se încadrează în gama spectrului electromagnetic (EM) între razele ultraviolete (UV) și razele gamma. Razele X tari au lungimi de undă de aproximativ 100 de picometri (un picometru este de un trilion de metru). Aceste unde electromagnetice ocupă aceeași regiune a spectrului EM ca razele gamma. Singura diferență între ele este sursa lor: razele X sunt produse prin accelerarea electronilor, în timp ce razele gamma sunt produse de nucleii atomici în una din cele patru reacții nucleare. 

Istoria razelor X

Razele X au fost descoperite în 1895 de Wilhelm Conrad Röentgen, profesor la Universitatea Würzburg din Germania. Conform „Istoriei radiografiei” a Centrului de Resurse Nondestructive, Röentgen a observat cristale în apropierea unui tub cu raze catodice de înaltă tensiune care prezintă o strălucire fluorescentă, chiar și atunci când le-a protejat cu hârtie întunecată. O anumită formă de energie era produsă de tubul care pătrundea pe hârtie și făcea să strălucească cristalele. Röentgen a numit energia necunoscută „radiația X”. Experimentele au arătat că această radiație ar putea pătrunde în țesuturile moi, dar nu în os, și ar produce imagini de umbră pe plăci fotografice. 

Pentru această descoperire, Röentgen a primit premiul Nobel pentru fizică în 1901.

Surse și efecte de raze X

Razele X pot fi produse pe Pământ prin trimiterea unui fascicul de mare energie de electroni care se sparg într-un atom precum cupru sau galiu, potrivit lui Kelly Gaffney, directorul Radford Lightsource. Când fasciculul lovește atomul, electronii din învelișul interior, numit cochilie s, sunt zvârliți și, uneori, sunt aruncați de pe orbita lor. Fără acel electron, sau electroni, atomul devine instabil și, astfel, pentru ca atomul să se „relaxeze” sau să se întoarcă la echilibru, a spus Gaffney, un electron din așa-numita coajă 1p intră pentru a umple golul. Rezultatul? O radiografie este eliberată.

"Problema cu aceasta este fluorescența [sau lumina cu raze X emisă] merge în toate direcțiile", a spus Gaffney. „Nu sunt direcționali și nu sunt concentrați. Nu este o modalitate foarte ușoară de a face o sursă puternică de raze X cu energie ridicată.”

Introduceți un sincrotron, un tip de accelerator de particule care accelerează particulele încărcate precum electronii în interiorul unei căi circulare închise. Fizica de bază sugerează că, de fiecare dată când accelerezi o particulă încărcată, aceasta emite lumină. Tipul luminii depinde de energia electronilor (sau a altor particule încărcate) și de câmpul magnetic care îi împinge în jurul cercului, a spus Gaffney.

Deoarece electronii sincrotroni sunt împinși aproape de viteza luminii, aceștia emit cantități enorme de energie, în special energie cu raze X. Și nu doar orice raze X, ci un fascicul foarte puternic de lumină focalizată cu raze X.

Radiația de sincrotron a fost văzută pentru prima dată la General Electric, în Statele Unite, în 1947, potrivit European Synchrotron Radiation Facility. Această radiație a fost considerată o problemă, deoarece a făcut ca particulele să piardă energie, dar ulterior a fost recunoscută în anii '60 ca fiind ușoară cu proprietăți excepționale care au depășit deficiențele tuburilor cu raze X. O caracteristică interesantă a radiațiilor de sincrotron este aceea că este polarizată; adică câmpurile electrice și magnetice ale fotonilor oscilează toate în aceeași direcție, care pot fi liniare sau circulare. 

"Deoarece electronii sunt relativisti [sau se deplasează la o viteză aproape de lumină], atunci când dau lumină, acesta sfârșește să fie concentrat în direcția înainte", a spus Gaffney. "Acest lucru înseamnă că nu veți obține doar culoarea potrivită a razelor X ușoare și nu doar multe dintre ele, deoarece aveți o mulțime de electroni stocați, ci sunt emise în mod preferențial în direcția înainte."

Imagistica cu raze X

Datorită capacității lor de a pătrunde anumite materiale, razele X sunt utilizate pentru mai multe aplicații de evaluare și testare nedistructive, în special pentru identificarea defectelor sau fisurilor componentelor structurale. Conform Centrului de Resurse NDT, "Radiația este direcționată printr-o piesă și către [o] peliculă sau alt detector. Graficul de umbră rezultat arată caracteristicile interne" și dacă acea piesă este sunetă. Aceasta este aceeași tehnică folosită în cabinetele medicilor și medicilor stomatologi pentru a crea imagini cu raze X cu oase și, respectiv, dinți. [Imagini: Raze X de pește uimitoare]

Razele X sunt, de asemenea, esențiale pentru inspecțiile de securitate ale transportului de marfă, bagaje și pasageri. Detectoarele de imagistică electronică permit vizualizarea în timp real a conținutului pachetelor și a altor obiecte de pasageri. 

Utilizarea originală a razelor X a fost pentru ochii imagistice, care se distingeau cu ușurință de țesuturile moi de pe pelicula disponibilă la acea vreme. Cu toate acestea, sisteme de focalizare mai precise și metode de detectare mai sensibile, cum ar fi filmele fotografice îmbunătățite și senzorii de imagistică electronică, au făcut posibilă distingerea detaliilor din ce în ce mai fine și a diferențelor subtile în densitatea țesutului, folosind în același timp niveluri de expunere mult mai mici..

În plus, tomografia computerizată (CT) combină mai multe imagini cu raze X într-un model 3D dintr-o regiune de interes.

Similar cu CT, tomografia de sincrotron poate dezvălui imagini tridimensionale ale structurilor interioare ale obiectelor precum componentele inginerești, potrivit Centrului pentru materiale și energie Helmholtz.

Terapia cu raze X

Radioterapia folosește radiații cu energie mare pentru a ucide celulele canceroase prin deteriorarea ADN-ului. Întrucât tratamentul poate deteriora și celulele normale, Institutul Național al Cancerului recomandă ca tratamentul să fie planificat cu atenție pentru a reduce la minimum efectele secundare. 

Potrivit Agenției pentru Protecția Mediului din SUA, așa-numita radiație ionizantă de la razele X zâmbă o zonă focalizată cu suficientă energie pentru a elimina complet electronii din atomi și molecule, modificându-și astfel proprietățile. În doze suficiente, acest lucru poate deteriora sau distruge celulele. În timp ce această deteriorare a celulelor poate provoca cancer, poate fi folosită și pentru combaterea acestuia. Prin dirijarea razelor X către tumorile canceroase, acesta poate demola acele celule anormale. 

Astronomie cu raze X

Potrivit lui Robert Patterson, profesor de astronomie la Universitatea de Stat din Missouri, sursele cerești de raze X includ sisteme binare apropiate care conțin găuri negre sau stele de neutroni. În aceste sisteme, rămășița stelară mai masivă și mai compactă poate smulge materialul de la steaua de companie pentru a forma un disc de gaz care emite raze X extrem de fierbinte, în timp ce se rotește spre interior. În plus, găurile negre supermasive din centrele galaxiilor spiralate pot emite raze X în timp ce absorb stele și nori de gaz care se află în raza lor de gravitație. 

Telescoapele cu raze X folosesc reflexe cu unghi scăzut pentru a focaliza acești fotoni cu energie mare (lumină) care altfel ar trece prin oglinzile normale ale telescopului. Deoarece atmosfera Pământului blochează cele mai multe raze X, observațiile sunt efectuate de obicei folosind baloane de mare altitudine sau telescoape orbitante. 

Resurse aditionale

• Pentru a afla mai multe, descărcați acest PDF din SLAC intitulat „Istoria timpurie a radiografiilor”.
• Centrul de resurse NDE / NDT oferă informații despre evaluarea nedestructivă / testarea nedestructivă. 
• Pagina misiunii NASA pe spectrul electromagnetic explică modul în care astronomii folosesc razele X.

Această pagină a fost actualizată pe 5 octombrie 2018 de către Editor, Jeanna Bryner.