Hvad er røntgenstråler?

Røntgenstråler er typer af elektromagnetisk stråling sandsynligvis mest kendt for deres evne til at se gennem en persons hud og afsløre billeder af knoglerne derunder. Fremskridt inden for teknologi har ført til mere kraftfulde og fokuserede røntgenstråler såvel som stadig større anvendelser af disse lysbølger, fra billeddannelse af teensiske biologiske celler og strukturelle komponenter i materialer som cement til at dræbe kræftceller.  

Røntgenstråler er groft klassificeret som bløde røntgenstråler og hårde røntgenstråler. Bløde røntgenstråler har relativt korte bølgelængder på ca. 10 nanometer (et nanometer er en milliardedel af en meter), og derfor falder de inden for det elektromagnetiske (EM) spektrum mellem ultraviolet (UV) lys og gammastråler. Harde røntgenstråler har bølgelængder på ca. 100 picometre (et picometer er en billion trin meter). Disse elektromagnetiske bølger optager det samme område af EM-spektret som gammastråler. Den eneste forskel mellem dem er deres kilde: røntgenstråler produceres ved at accelerere elektroner, mens gammastråler produceres af atomkerner i en af ​​fire nukleare reaktioner. 

Historie om røntgenstråler

Røntgenstråler blev opdaget i 1895 af Wilhelm Conrad Röentgen, professor ved Würzburg Universitet i Tyskland. Ifølge Nondestructive Resource Center's "Radiography History", bemærkede Röentgen krystaller i nærheden af ​​et højspændings-katodestrålerør med en lysstofrør, selv når han afskærmede dem med mørkt papir. En eller anden form for energi blev produceret af røret, der trængte ind i papiret og fik krystallerne til at gløde. Röentgen kaldte den ukendte energi "X-stråling." Eksperimenter viste, at denne stråling kunne trænge ind i blødt væv, men ikke knogler, og ville frembringe skyggebilleder på fotografiske plader. 

For denne opdagelse blev Röentgen tildelt den allerførste Nobelpris i fysik, i 1901.

Røntgenkilder og effekter

Røntgenstråler kan produceres på Jorden ved at sende en højenergi-stråle af elektroner, der smadrer ind i et atom som kobber eller gallium, ifølge Kelly Gaffney, direktør for Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Når strålen rammer atomet, bliver elektronerne i den inderste skal, kaldet s-skallen, skævt og undertiden kastet ud af deres bane. Uden denne elektron eller elektroner bliver atomet ustabilt, og således for at atomet "slapper af" eller går tilbage til ligevægt, sagde Gaffney, et elektron i den såkaldte 1p skal falder ind for at udfylde kløften. Resultatet? En røntgenstråle frigives.

"Problemet med det er fluorescensen [eller røntgenstråling, der er afgivet] går i alle retninger," fortalte Gaffney. "De er ikke retningsbestemte og kan ikke fokuseres. Det er ikke en meget nem måde at fremstille en højenergi, lys kilde til røntgenstråler."

Gå ind i en synchrotron, en type partikelaccelerator, der accelererer ladede partikler som elektroner inde i en lukket, cirkulær bane. Grundlæggende fysik antyder, at det hver gang, du accelererer en ladet partikel, giver lys. Hvilken type lys afhænger af energien i elektronerne (eller andre ladede partikler) og det magnetiske felt, der skubber dem rundt i cirklen, sagde Gaffney.

Da synkrotronelektronerne skubbes til tæt på lysets hastighed, afgiver de enorme mængder energi, især røntgenenergi. Og ikke kun nogen røntgenstråler, men en meget kraftig stråle med fokuseret røntgenlys.

Synchrotron-stråling blev set for første gang på General Electric i USA i 1947 ifølge den europæiske Synchrotron-strålingsfacilitet. Denne stråling blev betragtet som en gener, fordi den fik partiklerne til at miste energi, men den blev senere anerkendt i 1960'erne som lys med ekstraordinære egenskaber, der overskred manglerne ved røntgenrør. Et interessant træk ved synkrotronstråling er, at den er polariseret; det vil sige, at de elektriske og magnetiske felter på fotonerne svinger alle i samme retning, som kan være enten lineære eller cirkulære. 

"Fordi elektronerne er relativistiske [eller bevæger sig i nær lyshastighed], når de afgiver lys, ender det med at blive fokuseret i fremadretningen," sagde Gaffney. "Dette betyder, at du ikke kun får den rigtige farve på lette røntgenstråler og ikke kun en masse af dem, fordi du har mange elektroner lagret, de udsendes også fortrinsvis i fremadretning."

Røntgenbillede

På grund af deres evne til at trænge ind i visse materialer bruges røntgenstråler til adskillige ikke-destruktive evaluerings- og testapplikationer, især til at identificere mangler eller revner i strukturelle komponenter. Ifølge NDT Resource Center "stråling styres gennem en del og mod [a] film eller anden detektor. Den resulterende skyggegraf viser de interne træk", og om delen er lyd. Dette er den samme teknik, der anvendes i læger og tandlæger kontorer til at skabe røntgenbilleder af henholdsvis knogler og tænder. [Billeder: Fantastisk fisk røntgenstråler]

Røntgenstråler er også vigtige for transportsikkerhedsinspektioner af last, bagage og passagerer. Elektroniske billeddetektorer muliggør visualisering af realtidsindholdet i pakker og andre passagerartikler. 

Den oprindelige anvendelse af røntgenstråler var til billeddannelse af knogler, som let kunne skelnes fra blødt væv på den film, der var tilgængelig på det tidspunkt. Imidlertid har mere nøjagtige fokuseringssystemer og mere følsomme detektionsmetoder, såsom forbedrede fotografiske film og elektroniske billeddannelsessensorer, gjort det muligt at skelne i stigende grad detaljer og subtile forskelle i vævstæthed, mens man bruger meget lavere eksponeringsniveauer.

Derudover kombinerer computertomografi (CT) flere røntgenbilleder til en 3D-model af et område af interesse.

I lighed med CT kan synkrotrontomografi afsløre tredimensionelle billeder af indvendige strukturer af genstande som tekniske komponenter, ifølge Helmholtz Center for Materials and Energy.

Røntgenbehandling

Strålebehandling bruger strålende energi til at dræbe kræftceller ved at skade deres DNA. Da behandlingen også kan skade normale celler, anbefaler National Cancer Institute, at behandlingen planlægges omhyggeligt for at minimere bivirkninger. 

I følge det amerikanske miljøbeskyttelsesagentur zapper såkaldt ioniserende stråling fra røntgenstråler et fokuseret område med tilstrækkelig energi til fuldstændigt at strippe elektroner fra atomer og molekyler og således ændre deres egenskaber. I tilstrækkelige doser kan dette beskadige eller ødelægge celler. Mens denne celleskade kan forårsage kræft, kan den også bruges til at bekæmpe den. Ved at rette røntgenstråler mod kræftformede tumorer kan det ødelægge de unormale celler. 

X-ray astronomi

Ifølge Robert Patterson, professor i astronomi ved Missouri State University, inkluderer himmelkilder til røntgenstråler tæt binære systemer, der indeholder sorte huller eller neutronstjerner. I disse systemer kan den mere massive og kompakte stjernestrøm stribe materiale fra sin ledsagerstjerne for at danne en disk med ekstremt varm røntgenstrålende gas, når den spiraler indad. Derudover kan supermassive sorte huller i centrum af spiralgalakier udsende røntgenstråler, når de absorberer stjerner og gasskyer, der falder inden for deres gravitations rækkevidde. 

Røntgen-teleskoper bruger refleksioner i lav vinkel til at fokusere disse højenergi-fotoner (lys), der ellers ville passere gennem normale teleskopspejle. Fordi Jordens atmosfære blokerer for de fleste røntgenstråler, udføres observationer typisk ved hjælp af balloner i højde eller kredsende teleskoper. 

Yderligere ressourcer

• For at lære mere skal du downloade denne PDF fra SLAC med titlen "Tidlig historie med røntgenstråler."
• NDE / NDT Resource Center giver information om ikke-destruktiv evaluering / ikke-destruktiv test. 
• NASAs missionsside om det elektromagnetiske spektrum forklarer, hvordan astronomer bruger røntgenstråler.

Denne side blev opdateret den 5. oktober 2018 af Managing Editor, Jeanna Bryner.