اگر چشم ما توانایی تشخیص تشعشعات پرانرژی مانند اشعه ایکس را داشت، زندگی تبدیل به یک تجربه سورئال می شد. در آن صورت می توانستیم زیر پوست افراد را ببینیم و حرکات استخوان ها و مفاصل آنها را تماشا کنیم! شاید باید خدا را شکر کنیم که چنین توانایی نداریم، اما در عین حال می توانیم از مزایای پرتوهای ایکس بهره مند شویم. اشعه ایکس کاربردهای فراوانی در پزشکی، پژوهش های علمی، ستاره شناسی و صنعت دارد. با ما همراه باشید تا نگاهی دقیق تر به اشعه ایکس و نحوه تولید و کار آن داشته باشیم.
در گذشته عکس های اشعه X مانند عکس های قدیمی روی کاغذ چاپ می شدند. اما امروزه، به راحتی می توان مانند عکس های دیجیتالی آن ها را ذخیره و روی صفحه نمایش رایانه مطالعه کرد.
فهرست
- اشعه ایکس چیست؟
- کاربرد اشعه ایکس
- تولید اشعه ایکس
- تاریخچه اشعه ایکس
اشعه ایکس چیست؟
اگر پرتوهای نور کمی قدرتمند تر باشند می توان به کمک آنها داخل بدن، ساختمان ها و هر چیز دیگری را مشاهده کرد. پرتوهای ایکس به نوعی نسخه بسیار قدرتمند نور معمولی هستند. اشعه ایکس نوعی تابش الکترومغناطیسی با قدرت بسیار بالا است که با سرعت نور در مسیر مستقیم حرکت میکند (درست مثل امواج نور). اگر می توانستید پرتوی ایکس را روی کاغذ تصویر کنید و طول موج آن (فاصله بین دو قله متوالی) را اندازه بگیرید، متوجه می شدید که هزاران برابر کوتاهتر از طول موج نور معمولی است و این یعنی فرکانس آن (آهنگ نوسانات) چند هزار برابر بیشتر است.
همچنین از آنجایی که انرژی امواج الکترومغناطیسی به طور مستقیم متناسب با فرکانس آن ها است، پرتو های ایکس نسبت به پرتوهای نور قدرت نفوذ و انرژی بسیار بیشتری دارند. بنابراین پرتو های ایکس از آنجایی که انرژی بسیار بالاتری دارند می توانند به اجسامی نفوذ کنند که پرتوهای نور نمی توانند.
تصویری از طیف الکترومغناطیسی که در آن گستره فرکانسی اشعه ایکس با رنگ زرد مشخص شده است. همان طور که مشاهده می کنید، پرتوهای ایکس طول دارای موج کوتاه تر، فرکانس بالاتر و انرژی بیشتری نسبت به سایر امواج الکترومغناطیسی بوده و قدرت نفود به جو زمین را ندارند. همچنین طول موج آن ها تقریبا در مقیاس شعاع اتمی است.
خصوصیات اشعه ایکس
می دانیم که نور به راحتی از بعضی مواد ( مانند شیشه و پلاستیک) عبور می کند در حالی که موادی مانند چوب و فلز آن را از خود عبور نمی دهند. به شکل مشابه، اشعه ایکس نیز از برخی مواد عبور می کند. وقتی اشعه ایکس وارد جسمی می شود، باید از میان حجم زیادی از اتم ها عبور کند تا بتواند از سوی دیگر آن جسم خارج شود. چیزی که مانع عبور پرتوها می شود، الکترون هایی هستند که دور اتم ها در حال گردش هستند.
هرچقدر تعداد الکترون ها بیشتر باشد، درصد بیشتری از پرتو جذب میشود و درصد کمتری از ماده عبور می کند. پرتوهای ایکس از موادی که از اتم های سبک تر و تعداد الکترون های کمتری تشکیل شده اند راحت تر عبور می کنند و بالعکس. برای مثال سرب، که یک فلز سنگین است و 82 الکترون در اطراف هر اتم آن در حال گردش است، مانع نسبتاً خوبی در مقابل پرتو های ایکس است (به همین علت تکنسین های آزمایشگاه های تصویربرداری در بیمارستان ها از پیش بندها و محافظ های سربی استفاده می کنند). در واقع این نکته که برخی مواد نسبت به بقیه اشعه ایکس را بهتر از خود عبور می دهند می تواند در بسیاری از کاربردها مفید واقع شود.
کاربرد اشعه ایکس
اشعه ایکس کاربردهای فراوانی در حوزه های مختلف دارد، از تشخیص پوسیدگی دندان گرفته تا اکتشافات فضایی و کهکشانی.
کاربرد اشعه ایکس در پزشکی
یک تصویر اشعه ایکس از قفسه سینه. این تصور حباب های آمفیزم را در ریه سمت چپ بیمار نشان می دهد، که به شدت بر کیفیت تنفس تأثیر می گذارد.
یکی از اولین حوزه های کاربردی شناخته شده برای اشعه ایکس، پزشکی است. به طوری که اشعه ایکس هنوز هم بیشتر به عنوان یک ابزار پزشکی برای تشخیص و درمان شناخته می شود. مواد سخت همچون استخوان ها و دندان ها جاذب بسیار خوب پرتوی ایکس هستند، درحالیکه بافت های نرم مانند پوست و عضلات اجازه عبور مستقیم پرتو ها را می دهند.
از این رو تصاویر تهیه شده به وسیله پرتوی ایکس برای تشخیص پزشکی بسیار کاربرد دارند. آنها شکستگی استخوان ها و وجود تومورها را نشان می دهند و همچنین در تشخیص بیماری های ریوی مانند سل و ذات الریه مفید هستند. اشعه ایکس به دندان پزشک کمک میکند بخش هایی از دهان شما ( داخل داندان ها و لثه ها) را ببیند که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست.
اطلاعاتی که از تصاویر دو بعدی از بدن به دست می آید محدود است، به خصوص که اندام های بدن داخل فضای کوچکی به صورت فشرده قرار گرفته اند. اما فناوری اسکن سه بعدی این مشکل را حل می کند. اسکنرهای CT یا CAT (توموگرافی محوری رایانه ای) با تاباندن پرتو های ایکس با ضخامت مداد به بدن بیمار که حجمی سه بعدی است، تعداد زیادی تصاویر دو بعدی تهیه می کنند و سپس با استفاده از فناوری رایانه ای، همه تصاویر دو بعدی را به یک تصویر سه بعدی تبدیل میکنند.
ازآنجایی که اشعه ایکس بسیار پرانرژی است، می تواند بافت های زنده را تخریب کند. از یک سو این یعنی باید تنها در موارد لازم و بسیار با احتیاط از آن استفاده کرد و تکنسین های اشعه ایکس یا رادیولوژیست باید اقدامات ایمنی لازم برای کنترل میزان جذب اشعه را جدی بگیرند. اما از سوی دیگربه خاطر این ویژگی اشعه ایکس، می توان از آن برای استرلیزه کردن تجهیزات پزشکی نیز استفاده کرد. اشعه ایکس میکروب ها را از بین می برد و تومورهای سرطانی را تخریب می کند (پرتودرمانی).
کاربرد اشعه ایکس در زمینه امنیت
اسکنرهای اشعه ایکس که برای تصویربرداری از اندام های داخلی شما استفاده می شوند، برای بازرسی چمدان ها در فرودگاه ها نیز کاربرد دارند. اشعه ایکس از مواد نرم مانند پر و پلاستیک عبور می کند اما مواد سخت مانند فلز استفاده شده در اسلحه و چاقو مانع عبور آن می شوند.
معمولا چمدان ها و کیف ها روی تسمه نقاله از داخل اسکنرهای بزرگ عبور می کنند و به صورت همزمان تصاویر تهیه شده از محتوای آنها توسط اشعه ایکس روی مانیتورهای امنیتی نمایش داده می شود.
سی‌تی اسکنرها هرروز بیش از پیش در فرودگاه ها برای اندازه گیری چگالی مایعات داخل چمدان ها استفاده میشود. با این روش میتوان وجود برخی مواد منفجره را تشخیص داد. به این نوع اسکنرها، دستگاه های CTX گفته می شود که توسط شرکت هایی همچون GE InVision تولید می شوند.
محصول مرتبط: آموزش دیالوکس
کاربردهای صنعتی اشعه ایکس
تست اشعه ایکس غیرمخرب روشی برای بازرسی هواپیماها بدون باز کردن قطعات سازه است. تصویر، یک هواپیما در آشیانه ای با دیوارهای سربی واقع در پایگاه نیروی هوایی آمریکا در تگزاس را نشان می دهد که مورد تست قرار گرفته است. همان طور که می بینید جهت اطلاع رسانی به افراد درمورد خطرات اشعه ایکس، علائم هشدار بر روی در نصب شده است.
همان طور که اشعه ایکس در تشخیص مشکلات ریوی یا بررسی محتویات چمدان ها در فرودگاه کاربرد دارد، میتوان از آن به شکل مشابه برای تشخیص خطا های دستگاه های مختلف نیز استفاده کرد. پرتوی ایکس مبنای انجام آزمایشی به نام “تست غیرمخرب” است. در این تست مهندسین با استفاده از اشعه ایکس انواع تجهیزات صنعتی را به منظور بررسی خستگی در سازه های فلزی و یافتن ترک ها اسکن می کنند.
بدون اشعه ایکس تشخیص این عیوب بسیار دشوار است. پره های توربین در موتور های جت هواپیما به این شیوه تست می شوند تا وجود هرگونه عیبی که ممکن است منجر به وقوع خطا در حین پرواز شود، به موقع تشخیص داده شود. انواع کالاها و محصولات نیز به طور مرتب با اشعه ایکس اسکن میشود. برای مثال برای اثبات اصالت نقاشی های رنگ روغن از اشعه ایکس استفاده می شود (گاهی اوقات اشعه ایکس، نسخه های قبلی یک نقاشی یا اثر دیگری از هنرمند را زیر نقاشی اصلی آشکار می کند).
همچنین می توان از پرتوهای باریک و دقیق ایکس به عنوان ماشین ابزار استفاده کرد. امروزه می توان الگو های مداری مینیاتوری مدارهای مجتمع (تراشه های سیلیکونی) را با استفاده از پرتوهای بسیار دقیق ایکس و تکنیکی به نام لیتوگرافی اشعه ایکس ترسیم کرد که در گذشته از پرتوهای نور برای این منظور استفاده می شد. استفاده از پرتوهای ایکس که هزاران برابر باریک تر هستند، باعث می شود قطعات در ابعاد کوچک تری ساخته شوند و درنهایت منجر به تولید تراشه های کوچک تر و قدرتمند تر می شود.
کاربرد اشعه ایکس در پژوهش علمی
مطالعه مواد نیمه رسانا با استفاده از اشعه ایکس
به جز پزشکی، یکی دیگر از حوزه های اصلی کاربرد اشعه ایکس، مطالعه ساختار درونی مواد است. اگر پرتوی ایکس را به یک ساختار کریستالی بتابانید، اتم ها پرتو را به شیوه بسیار دقیقی پراکنده می کنند و یک تصویر سایه مانند از الگوی داخلی کریستال ایجاد می کنند که به کمک آن می توان فاصله بین اتم ها را اندازه گیری کرد. به این تکنیک پراش اشعه ایکس یا بلورشناسی اشعه ایکس گفته می شود و به لطف روزالیند فراکلین، دانشمند انگلیسی، نقش بسیار مهمی در کشف ساختار DNA در دهه 1950 ایفا کرد.
کاربرد اشعه ایکس نجوم
تصویر اشعه ایکس تهیه شده از خورشید توسط تلسکوپ اشعه ایکس نرم (SXT)
استفاده از تلسکوپ برای مشاهده نور بازتاب شده از اجسام دور- حتی اجسام در فضا بسیار رایج است، اما مکانیزم عملکرد همه تلسکوپ ها به این شکل نیست. برای مثال تلسکوپ های رادیویی بیشتر شبیه به آنتن های غول پیکر ماهواره ای هستند که امواج رادیویی حاصل از منابع دور را دریافت می کنند.
پرتوهای ایکس نیز در فضا حرکت میکنند و می توان آنها را به شیوه مشابهی با استفاده از تلسکوپ های تنظیم شده روی فرکانس های خاص، دریافت و مطالعه کرد. بدبختانه برای ستاره شناسان و خوشبختانه برای ما، جو زمین پرتوهای ایکس فضا را پیش از رسیدن به سطح سیاره زمین جذب می کند. به همین دلیل باید پرتوهای ایکس بازتاب شده را به جای تلسکوپ های روی زمین، با استفاده از تلسکوپ های مستقر در فضا مطالعه کنیم.
در همین خصوص بخوانید: همه چیز در مورد لیزر و فناوری های مربوط به آن
اشعه ایکس چگونه تولید می شود ؟
همان طور که می دانید وقتی نور بازتابی از اجسام به چشم شما می رسد می توانید آن ها را ببینید. به طور دقیق تر، بازتاب وقتی اتفاق می افتد که الکترون ها درون اتم های سازنده مواد حرکت می کنند و جابه جا می شوند تا انرژی امواج نور تابیده را جذب و سپس بازتاب کنند.
مثلاً برای تولید نور قرمز می توانید نور چراغ قوه را به یک گوجه فرنگی بتابانید؛ که به این ترتیب قسمت قرمز نور سفید چراغ قوه بازتاب می شود. پرتوهای ایکس نیز در طی همین فرآیند یا اگر بخواهیم دقیق تر بگوییم، نسخه پرانرژی تر این فرآیند تولید می شوند. برای تولید پرتوهای ایکس می توانید پرتویی از الکترون های بسیار پرانرژی (شتاب دهی شده با استفاده از منبع تغذیه ولتاژ بالا) را به یک جسم فلزی ( معمولا تنگستن) بتابانید. در این حالت پرتوی بازتابی به جای نور یا الکترون، پرتوی ایکس خواهد بود. به طور کلی هرچه ولتاژ بیشتری اعمال کنید، سرعت الکترون ها بیشتر می شود و با انرژی بالاتری به تنگستن برخورد خواهند کرد، و در نتیجه انرژی ( فرکانس) پرتوهای ایکس تولیدی بیشتر خواهد بود.
تاریخچه اشعه ایکس
تصویر اشعه ایکسی که ویلهلم رونتگن از دست همسرش تهیه کرد. به حلقه ها توجه کنید!
در این قسمت به شرح تاریخچه مختصری از زمان کشف اشعه ایکس در پایان قرن نوزدهم، تا زمان حاضر می پردازیم:
قرن نوزدهم
- 1895: فیزیکدان آلمانی، ویلهم رونگن (1923-1845) اشعه ایکس را هنگام آزمایش پرتوهای کاتدی ( پرتوهای الکترون) در لوله شیشه ای کشف میکند. پرتوهای ایکس از شیشه عبور کرده، و با تابیدن به یک صفحه کاغذ آغشته به مواد فلورسنت باعث درخشش آن میشوند. رونگن ماهیت این پرتوها را نمی داند، به همین دلیل آن را ایکس می نامد (در ریاضیات حرف ایکس معمولا به مجهولات اطلاق میشود). او به خاطر این کشف در سال 1901 برنده جایزه نوبل فیزیک می شود.
- 1986: با الهام از این کشف ، مخترع پرکار آمریکایی، توماس ادیسون (1931-1847) یک دستگاه تصویربرداری اشعه ایکس به نام فلوروسکوپ اختراع می کند.
قرن بیستم
- 1906: چارلز بارکا (1944-1877)، فیزیکدان انگلیسی نشان می دهد که می توان اشعه X را به روشی مشابه با پرتو های نور، پلاریزه کرد. این شواهد نشان می دهند که پرتوهای X اساساً مانند امواج نور اما با طول موج و فرکانس متفاوت هستند.
- 1912: فیزیکدان آلمانی ، ماکس فون لائو (1960-1879) کشف کرد که می توان طول موج اشعه X را با عبور دادن آن از درون بلور اندازه گیری کند (تکنیک پراش)، که تقریباً صحت طول موج مفروض برای اشعه ایکس و ساختار اتمی منظم بلورها را تأیید می کرد.
- 1914-1913: فیزیک دان انگلیسی، ویلیام هنری براگ (1942-1862) و پسرش (ویلیام) لارنس براگ (1971-1890) با موفقیت آزمایش فون لائو را معکوس می کنند و نشان می دهند که چگونه می توان از اشعه X با طول موج شناخته شده برای اندازه گیری فاصله اتمی بلور ها استفاده کرد. آن ها همچنین با ابداع تکنیک بلورشناسی اشعه ایکس، جایزه نوبل فیزیک 1915 را دریافت می کنند.
- 1913: ویلیام دیوید کولیج ، فیزیکدان آمریکایی (1973-1873) دستگاهی کاربردی برای تولید اشعه ایکس می سازد. این دستگاه که لوله کولیج نام دارد، یک استوانه شیشه ای بلند با یک پرتوی الکترون و یک هدف فلزی است که با تاباندن پرتو به آن، اشعه ایکس تولید می شود. افزایش ولتاژ باعث تولید پرتوهای ایکس با انرژی، سرعت و فرکانس بالاتر و طول موج کوتاهتر می شود. کولیج اختراع خود را در سال 1916 ثبت کرد. اکثر دستگاه های اشعه ایکس امروزی همچنان از همین روش استفاده می کنند.
- 1922: آرتور اچ کامپتون ( 1962-1892) دیگر فیزیکدان آمریکایی، بازتاب اشعه ایکس را از سطح شیشه صیقل خورده مطالعه می کند و طول موج آن را با دقت بسیار بالا اندازه گیری می کند. او پدیده ای را کشف می کند که اکنون اثر کامپتون (یا پراکندگی کامپتون) نامیده می شود: پرتوی ایکس پراکنده شده ( از روی سطح)، انرژی کمتری نسبت به ذرات موجود در پرتوی اصلی دارد. این موضوع شواهدی مبنی بر ماهیت ذره ای تابش الکترومغناطیسی ارائه می دهد.
- 1953: فرانسیس کریک (2004–1916) و جیمز دی واتسون (-1928) با کمک تصاویر حاصل از پراش پرتو ایکس – تکنیک ابداع شده توسط روزالیند فرانکلین (1920–1958)- ساختار DNA را کشف میکنند.
- 1972: مهندس الکترونیک انگلیسی، گادفری هونسفیلد (2004–1919) دستگاه سی‌تی اسکن را اختراع می کند که میتواند با استفاده از پرتوهای باریک اشعه ایکس تصاویر سه بعدی از داخل بدن انسان تهیه کند.
- دهه 1980: لیزرهای پرتوی ایکس قدرتمندی ساخته می شوند که می توانند اشعه ایکس را از طریق فرآیند گسیل القایی تولید کنند (با تزریق مداوم انرژی به اتم ها در فضای بین دو آینه موازی، اتم ها را وادار به تابش می کنند).
- 1999: رصدخانه پرتو ایکس چاندرا – دقیق ترین تلسکوپ اشعه ایکس ساخته شده تا کنون – سوار بر شاتل فضایی به فضا پرتاب می شود.
قرن بیست و یکم
- دهه 2000: از دستگاه های سی‌تی اسکن اشعه ایکس برای بهبود امنیت غربالگری چمدان ها در فرودگاه ها استفاده می شود.
- 2009: دانشمندان در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC ، در منلو پارک کالیفرنیا موفق به ساخت لیزر پرتو ایکس قدرتمندی می شوند که به عنوان “درخشان ترین منبع اشعه ایکس جهان” توصیف شده است.
- 2018: محققان نیوزیلندی موفق به ساخت یک اسکنر اشعه ایکس پزشکی می شوند که می تواند تصاویر سه بعدی رنگی از بدن انسان تهیه کند.
- 2019: دانشمندان سنگاپوری نشان می دهند که چگونه میتوان با بلورهای پروسکایت، ردیاب های اشعه ایکس بهتری تولید کرد.
هیچ دیدگاهی نوشته نشده است.