مقدمه ای بر پرتو ایکس (X)

در سال ۱۸۹۵ فیزیکدان آلمانی ویلهلم کنراد رونتگن پرتو ایکس (X) را برحسب تصادف کشف کرد و در سال ۱۹۰۱ جایزه نوبل فیزیک به ­خاطر این کشف بزرگ به او اهدا گردید. نام ایکس به دلیل ناشناخته بودن ماهیت این پرتو بر روی آن گذاشته شد. ماهیت اصلی پرتوهای X در سال ۱۹۱۲ مشخص شد. امکان پراش پرتو X از بلورها نیز در سال ۱۹۱۲ توسط فن ­لاوه به اثبات رسید و این روش به ­وسیله ­ی دبلیو.اچ.براگ و فرزندش دبلیو.ال.براگ برای بررسی بلورها به ­کار گرفته شد. دبلیو.ال.براگ، اگرچه دانشجویی بسیار جوان در آن زمان بود ولی آزمایش لاوه را به ­صورت موفقیت ­آمیزی انجام داد و توانست شرایط لازم برای پراش را به شکل روابط ریاضی محاسبه کند.

 

پرتو X

 

پرتو X، تابشی الکترومغناطیسی با ماهیتی همانند نور مرئی ولی با طول موج بسیار کوتاه­ تر و انرژی زیادتر از آن است. پرتو X همانند نور مرئی در مسیر مستقیم حرکت می ­کند. این پرتو قابل رویت نبوده و علاوه­ بر اثرگذاری روی فیلم عکاسی در اجسام کدر نیز قابل نفوذ است. واحد اندازه ­گیری در محدوده پرتو X، آنگستروم می ­باشد. این پرتو دارای محدوده طول موج از ۰٫۰۱ تا ۱۰۰ آنگستروم است. با توجه به طول موج پرتو X، این پرتو در دو نوع نرم و سخت وجود دارد که نوع نرم آن، با طول موج بزرگ ­تر و انرژی کم ­تر، بیشتر مصارف پزشکی داشته و نوع سخت آن، با طول موج کمتر و انرژی بیشتر، در صنایع و نیز مطالعات شناسایی مواد کاربرد دارد.

 

استفاده از پرتو X در کاربردهای پزشکی 

 

پرتوهای الکترومغناطیسی در هر نقطه از مسیر خود دارای دو بردارِ میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی می ­باشند که بر یکدیگر و نیز بر مسیر حرکت عمود هستند. اندرکنش میدان مغناطیسی با مواد محدود است ولی اندرکنش میدان الکتریکی با مواد، فرایندهای فیزیکی مهمی را شامل می شود. هر پرتو الکترومغناطیسی از جمله پرتو X دارای انرژی است. این انرژی به ­صورت شدت پرتو در واحد زمان تعریف می شود.

در مقایسه پرتو X و پرتو الکترونی باید گفت، پرتو الکترونی دارای طول موجی بسیار کوتاه ­تر از پرتو X است. سرعت پرتو X در حد سرعت نور است که بسیار بیشتر از سرعت الکترون­ ها می باشد. باید خاطر نشان کرد که سرعت الکترون به ولتاژ شتاب­ دهنده بستگی دارد. در خصوص پرتو X، تئوری موجی و تئوری کوانتومی ارائه شده است. تابش الکترومغناطیسی را بر مبنای نظریه کلاسیک به عنوان حرکت موجی و بر مبنای نظریه کوانتومی به عنوان جریانی از ذرات حامل انرژی به نام کوانتا یا فوتون در نظر می­ گیرند.

 

تولید پرتو X

 

چهار مکانیزم بر اساس چهار نیروی اصلی موجود در جهان، پرتو X تولید می ­کنند. نیروهای اتمی، جاذبه زمین، پتانسیل و نیروهای کولمبی قادر به تولید پرتو X هستند. در آزمایشگاه از نیروی کولمبی برای تولید پرتو X استفاده می شود. پرتو X در حین کاهش سرعت الکترون یا به ­طور کلی توقف الکترون ­ها تولید می شود. هر لامپ پرتو X شامل منبعی از الکترون (کاتد یا فیلامنت)، ولتاژ شتاب­ دهنده بالا، هدف فلزی (آند) به همراه سیستم خنک­ کننده برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد آند و لوله خلاء می باشد. تمامی لامپ­ های پرتو X دارای دو الکترود هستند که عبارتند از هدف فلزی یا آند که به قطب مثبت وصل بوده و کاتد که به قطب منفی با یک پتانسیل بالا، که معمولاً نزدیک به ۳۰ تا ۵۰ کیلوولت است، متصل می باشد.  

 

تصویری شماتیک از مقطع عرضی یک لامپ تولید پرتو X

 

برهم ­کنش پرتو X با نمونه

 

در اثر برخورد پرتو الکترونی به فلز هدف در لامپ پرتو X پدیده ­هایی همانند تولید پرتو X مشخصه به ­وقوع می ­پیوندد. اگر به جای پرتو الکترونی از پرتو X با انرژی کافی استفاده گردد، باز هم پرتو X مشخصه و همچنین پدیده­ های دیگری ایجاد می ­شوند. وقتی پرتو X با یک ماده برخورد می ­کند، ممکن است که چندین حالت رخ دهد، که عبارتند از:

– بدون برخورد

– تبدیل به گرما

– از بین رفتن پرتو X

– اثر فوتو الکتریک

– اثر فلورسانس

– تولید الکترون اوژه

– جذب تمام پرتو یا بخشی از توسط ماده

– پراکندگی کامپتون

– پراکندگی همدوس (کوهیرنت)

 

آشکارسازهای پرتو X

 

کاربرد پرتو X در موارد گوناگون، به آشکارساز و سیستم کاری آن بستگی دارد. هر چه دقت آشکارساز بیشتر باشد، قابلیت و کارایی پرتو X بالاتر می ­رود. آشکارسازها به ­طور کلی به سه دسته­ ی آشکار سازهای غیرالکترونیک (مانند فیلم عکاسی و صفحات فلورسنت)، آشکارسازهای گازی (مانند آشکارساز تناسبی) و آشکارسازهای حالت جامد (مانند کریستال ­های نیمه­هادی ژرمانیم یا سیلیسیم دارای لیتیم و آشکارسازهای سینتیلاتوری یا جرقه زنی) تقسیم می ­شوند.

 

اصول و مبانی پراش

 

در سال ۱۹۱۲ فیزیکدان آلمانی به نام فن ­لاوه ادعا کرد که اگر کریستال­ ها از اتم ­هایی تشکیل شده ­اند که به ­طور منظم در کنار یکدیگر قرار دارند و می ­توانند پرتو X را پراکنده نمایند و همچنین اگر پرتو X از نوع امواج الکترومغناطیس با طول موجی تقریباً مساوی با فاصله بین اتمی است، بنابراین بایستی این امکان وجود داشته باشد که پرتو X به­ وسیله کریستال دچار پراش گردد. برای اثبات این فرضیه او یک کریستال سولفات مس را در مسیر یک پرتو باریک X قرار داد و از یک فیلم عکاسی  برای ثبت پرتو پراکنده شده استفاده نمود. پس از آزمایش، نقاطی روی فیلم ظاهر شد که مشخص بود پرتو پس از عبور از کریستال به ­وسیله پراش از مسیر خود منحرف شده است. این آزمایش نشان داد که پرتو X ماهیت موجی دارد و از طرفی اتم­ ها با نظمی تناوبی در کریستال قرار گرفته ­اند. همچنین مشخص شد که پراش توسط اتم ­ها و صفحات اتمی بلور صورت می ­گیرد و طول موج پرتو X نیز در حدود فواصل بین صفحات اتمی بلورها می باشد.

برای این­که مفهوم پراش بهتر مشخص گردد، رابطه بین دو یا چند موج از نظر فازی توضیح داده می شود. دو پرتو در صورتی کاملاً هم­ فاز هستند که بردارهای میدان الکتریکی آن ­ها در هر زمان دارای مقادیر و جهت یکسانی در هر نقطه در امتداد انتشار موج باشد. ولی اگر یکی از پرتوها به دلیلی قبل از پیوستن مجدد دچار مسیر انحرافی منحنی شکل شود، حالت غیر هم ­فاز به ­وجود می­ آید. اختلاف در طول مسیر پیموده شده موجب اختلاف در فاز و در نتیجه تغییر دامنه موج می شود. هرچه اختلاف طول مسیر بیشتر باشد، غیر هم ­فازی بیشتر می شود زیرا اختلاف طول مسیر (برحسب طول موج) دقیقاً برابر است با اختلاف فاز (برحسب طول موج). پس می ­توان نتیجه گرفت دو پرتو با طول موج یکسان کاملاً هم­ فاز هستند، هر وقت که اختلاف طول مسیرشان صفر یا مضربی صحیح از طول موج باشد.

 

منابع:

۱- کتاب روش­ های پیشرفته شناخت مواد. نویسنده: دکتر عبدالکریم سجادی

۲- مقاله Fundamentals of X-ray diffraction نوشته Elena Willinger