Rendgensko zraenje

Sadraj

UVOD ................................................................................................................................................................... 1 ELEKTROMAGNETSKO ZRAENJE ................................................................................................................................. 2 NASTAJANJE RENDGENSKOG ZRAENJA ........................................................................................................................ 5 GRAFIKONI ZRAENJA ............................................................................................................................................... 7 OSOBINE RENDGENSKOG ZRAENJA............................................................................................................................. 9 PRIMENA RENDGENSKOG ZRAENJA ............................................................................................................................ 9 ZAKLJUAK ........................................................................................................................................................... 13 LITERATURA ......................................................................................................................................................... 14

UvodKrajem XIX veka ostvarena su dva znaajna napretka u fizici - otkrie X-zraka, i razumevanje prirode elektrona. Oba su proistekla iz prouavanja elektrinog pranjenja u gasovima na niskim pritiscima.

Ako su dve elektrode zatvorene u staklenoj cevi koja sadri vazduh na atmosferskom pritisku, prikljuenjem napona se nita znaajno ne deava sve dok jaina elektrinog polja ne dostigne vrednost od 30.000 V/cm.

Ako je pritisak gasa u cevi smanjen, elektrina struja protie kroz gas u cevi i pojavljuju se razni efekti pri mnogo niim naponima. Pri pritisku od oko 10 mbar stalan sjaj popunjava prostor izmeu elektroda. Ako se pritisak dodatno smanjuje, sjaj izmeu elektroda menja svoj izgled i deli se na naizmenine zone svetla i mraka. Na pritisku ispod 2 mbar sjaj izmeu elektroda potpuno nestaje iako struja jo uvek tee kroz gas, i poinje da se javlja fluorescencija svetlucanje stakla cevi.

Nemaki fiziar Pluker 1859. je zakljuio da fluorescencija nastaje usled nekog zraenja koje emituje negativna elektroda, tj. katoda. Ovi katodni zraci su bili predmet istraivanja tokom ostatka XIX veka. Engleski fiziar Vilijem Kruks je objavio seriju istraivanja 1879. Pokazao je da emitovani zraci mogu da se usmeravaju pomou magnetnog polja. Kada je fokusirao zrake u jednu taku, stvorila se tolika koliina toplote dovoljna da se istopi staklo ili platinska folija. Kruks je tokom svojih eksperimenata uoio da su fotografske ploe koje su bile u blizini katodne cevi postale zamuene.

Hajnrih Herc je radei na eksperimentalnom dokazivanju Maksvelove teorije vrio ispitivanja o elektrinom pranjenju u vakuumu. On je otkrio da katodni zraci prolaze kroz tanak film od zlata ili aluminijuma koji se nae na njegovom putu.

Mnogi fiziari tog doba su prouavajui katodno zraenje proizvodili i Xzraenje, ali tek je Rendgen (Wilhelm Conrad Rntgen) primetio njegovo prisustvo i-1-

shvatio da se radi o novoj, do tada nepoznatoj vrsti zraenja. On je ovoj pojavi dao naziv X-zraenje, ali je vrlo brzo kod nemakih naunika preovladao termin rendgensko zraenje. Na engleskom govornom podruju i danas je zadran naziv Xrays, zbog oteanog izgovora Rendgenovog imena. Za svoja otkria Rendgen je 1901. godine dobio Nobelovu nagradu.

Elektromagnetsko zraenje

Elektromagnetsko zraenje je kombinacija oscilujueg elektrinog ( ) i magnetskog polja ( ) koja zajedno putuju kroz prostor u obliku meusobno normalnih talasa, talasne duine (slika 1). Ovo zraenje je nosilac elektromagnetske interakcije (sile) i moe se interpretirati kao talas ili kao estica, u zavisnosti od sluaja. estice koje kvantifikuju elektromagnetsko zraenje su fotoni.

Slika 1 Prostiranje elektromagnetskog talasa

Elektromagnetske talase je teorijski predvideo Dejms Maksvel pokuavajui da objasni efekte indukcije elektrine struje u magnetskim poljima i obrnuto. Kasnije je Hajnrih Rudolf Herc potvrdio ovu teoriju proizvevi radio talase koje je detektovao sa drugog kraja svoje laboratorije jednostavnom oscilacijom elektrine struje kroz provodnik (time demonstriravi primitivan oblik antene).

Svako naelektrisanje promenom brzine kretanja generie elektromagnetsko polje. Ova informacija se prostire kroz prostor brzinom svetlosti i osobine odgovarajueg elektromagnetskog talasa su direktno vezane za dinamiku promene kretanja naelektrisanja. Ako imamo provodnik u kome naelektrisanje osciluje,

-2-

generisani elektormagnetski talas e imati istu frekvenciju oscilovanja. Alternativno, ako elektromagnetsko zraenje gledamo kao emisiju estica (fotona), energija koju one nose je direktno vezana za talasnu duinu, odnosno uestanost talasa. to je vea uestanost, to je vea energija fotona.

Taan odnos je opisan Plankovom relacijom: E = h, gde je energija fotona, h je Plankova konstanta, a je frekvencija talasa. Kao to oscilujua elektrina struja u provodniku moe da proizvede elektromagnetski talas, takav talas takoe moe da u nekom provodniku indukuje elektrinu struju iste oscilacije, na taj nain omoguavajui transfer informacije od emitora ka prijemniku, to je osnov svih beinih komunikacija.

Osobine elektromagnetskog zraenja zavise od njegove talasne duine i kao takve se dele na elektrine, radio i mikro-talase, zatim na infracrvenu, vidljivu i ultraljubiastu svetlost, X-zrake i gama zrake. Ceo opseg talasnih duina elektromagnetskog zraenja se zove elektromagnetski spektar.

Elektromagnetski spektar se prema talasnoj duini odnosno frekvenciji zraenja deli na nekoliko segmenata (slika 2): - radio talasi 104 Hz do 108 Hz - mikrotalasi 108 Hz do 1012 Hz - infracrveno zraenje 1012 do 41014 Hz - vidljiva svetlost 41014 do 7,91014 Hz (talasne duine od =760nm do 380 nm) - ultraljubiasto zraenje 7,91014 do 31016 Hz (=380nm do 10 nm) - rendgensko zraenje 31016 do 31019 Hz (=10 nm do 0,01 nm) - gama zraenje frekvencije vee od 31019 Hz (< 0,01 nm)

-3-

Slika 2 Spektar elektromagnetnog zraenja

U vakuumu se elektromagnetski talasi prostiru brzinom svetlosti, dok se pri prolasku kroz gasove ili tenosti delovi spektra mogu apsorbovati, odnosno rasipati pri haotinom kretanju estica usled efekta ekscitacije atoma. Pri tome talas prestaje da se kree pravolinijski pa je percepcija da se kree sporije od brzine svetlosti.

Elektromagnetski talasi su nizovi vrtlonih elektrinih i magnetskih polja koja se ire kroz prostor potpuno se odvojivi od svoga izvora (na primer od naelektrisane estice koja osciluje), tako to nastaju jedno od drugoga.

-4-

Nastajanje rendgenskog zraenjaRendgensko zraenje nastaje uzajamnim dejstvom brzih elektrona s materijom. U cevi u kojoj vlada vakuum stoje jedna prema drugoj jedna arna katoda i jedna anoda izmeu kojih vlada jako elektrino polje. Elektrino polje ubrzava prema anodi (antikatodi) elektrone koji izlaze iz zagrejane katode i prodiru u materijal antikatode (najee od volframa).

Slika 3 Nastajanje rendgenskog zraenja u Kruksovoj cevi

Najvei deo elektrona koji nailaze na antikatodu izazivaju samo njeno zagrevanje. Ipak, jedan deo elektrona se zakoi u elektrostatikim poljima sila jezgara volframovih atoma i tako gubi kinetiku energiju, koja se neposredno pretvara u rendgensko zakono zraenje. Dok je razlika potencijala izmeu elektroda relativno mala, pojavljuje se samo zakono zraenje. Poveavanjem ovog napona preko odreenih vrednosti, dolazi do pobuivanja (ekscitacije) atoma materijala anode. Ovo zatim dovodi do prelaska elektrona sa viih energetskih nivoa na nie, uz emitovanje kvanata zraenja. Ovi kvanti zraenja mogu imati samo tano odreene vrednosti koje su karakteristine za vrstu materijala od kojeg je nainjena anoda. Ovo zraenje se naziva karakteristino rendgensko zraenje.

-5-

Slika 4 Razlike u nastanku zakonog i karakteristinog zraenja

Anoda rendgenske cevi se sastoji od fokusa i tela anode. Fokus ima oblik pravougaone ploice napravljene od nekog od teih metala kao to su volfram, zlato ili molibden. Osnovna funkcija fokusa je da prihvati ubrzani snop elektrona sa katode i da putem njihovog usporavanja, tj. koenja to vei iznos njihove kinetike energije pretvori u fotone zakonog zraenja. Prinos zakonog zraenja je utoliko vei ukoliko je atomski broj materijala fokusa vei. Ovaj proces u praksi nije mnogo efikasan i samo manje od 1% kinetike energije elektrona se transformie u energiju fotona zakonog zraenja. Preostalih vie od 99% kinetike energije elektrona predaje se fokusu anode u vidu toplotne energije. Zbog toga fokus anode trpi velika termika naprezanja i vremenom dolazi do njegove degradacije. Posebna panja se posveuje konstrukciji same anode. Postoji izvedba kod koje se anoda neprestano rotira, kako bi se omoguilo njeno hlaenje tokom upotrebe.

Slika 5 Konstrukcija sa rotirajuom anodom

-6-

U zavisnosti od primene, napon izmeu anode i katode se kree u opsegu od 15-150 kV.

Grafikoni zraenjaZakono zraenje nastaje usled naglog koenja upadnih elektrona katodnih zraka. Vrednosti ovakvog zraenja nemaju neku stalnu vrednost ve su relativno pravilno zastupljene u celoj oblasti spektra zraenja. Na dijagramu (slika 5) je ova pojava predstavljena kao skoro ravna linij du posmatranog spektra.

Slika 6 Dijagram rendgenskog zraenja sa kontinualnim i linijskim komponentama

Karakteristika

kontinualnog

spektra

je

granina

talasna

duina

u

kratkotalasnom delu spektra min, koja ne zavisi od materijala antikatode u rendgenskoj cevi, ve samo od energije upadnih elektrona (tj. od napona U u cevi). Kinetika energija elektrona jednaka je proizvodu naelektrisanja elektrona e i prikljuenog napona izmeu anode i katode U. Naglim koenjem elektrona na katodi dolazi do pretvaranja ove energije u kvante zraenja (fotone) sa energijom . Prema Ajntajnovom tumaenju, energija kvanta zraenja je jednaka zbiru izlaznog rada i kinetike energije elektrona:

=

+

-7-

U ovoj relaciji, kinetika energija elektrona se moe izraziti kao proizvod naelektrisanja elektrona e i prikljuenog napona U. Poto se u ovom sluaju radi o velikoj energiji, izlazni rad A se praktino moe zanemariti, pa se moe uspostaviti sledea relacija: = =

Talasna duina zraenja kvanta sa maksimalnom energijom bie: eU

=

Ekscitacija atoma nastaje tako to nailazei visokoenergetski elektroni elektronskim sudarom isteruju elektrone iz unutranje ljuske atoma. Tako nastale rupe u ljuskama ponovo se popunjavaju elektronima iz spoljnih ljuski, uz emisiju karakteristinog zraenja. Ova pojava izaziva intenzivno zraenje na tano odreenim vrednostima talasnih duina i na dijagramu se dobijaju vrhovi linijski spektar. Intenzitet rendgenskog zraenja odreen je brojem elektrona koje arna katoda emituje u jedinici vremena, dakle zagrevnom strujom. Tvrdoa rendgenskih zraka srazmerna je jaini elektrinog polja, odnosno naponu izmeu katode i anode. Kako se moe videti na grafikonu (slika 6), ukupna energija zakonog zraenja je srazmerna povrini ispod grafikona i vea je od energije karakteristinog zraenja. Meutim, na tano karakteristinim talasnim duinama javljaju se vrhovi koji po intenzitetu nadmauju intenzitet zakonog zraenja.

-8-

Osobine rendgenskog zraenjaRendgenski zraci imaju svojstvo da jae ili slabije prodiru kroz materiju, zavisno od njene gustine. to je vea tvrdoa zraenja, to se mogu prozraiti tei i deblji materijali. Dalje svojstvo rendgenskih zraka je njihova jonizaciona mo. Ako rendgensko zraenje prolazi kroz prostor izmeu dve elektrode cevi u kojoj ne vlada vakuum, vazduni molekuli se delimino jonizuju vazduh postaje provodljiv i struja koja tee izmeu elektroda proporcionalna je tvrdoi i intenzitetu zraka. Takve cevi ispunjene gasom slue kao detektori zraenja.

Primena rendgenskog zraenjaU praksi se jaka prodorna mo rendgenskih zraka koristi na mnoge naine. Njihova osobina da zacrnjuju fotografske ploe koristi se u rendgenografiji za

ispitivanje materijala na strukturne greke. Fotografska ploa se postavi odmah iza komada metala ili odlivka. Posle prosvetljavanja materijala rendgenskim zracima, fotografska ploa se razvije kao obian film. Eventualne upljine i pukotine u komadu vide se na fotografskoj ploi u obliku tamnih senki, jer rendgenski zraci kroz ova mesta lake prodiru i time jae zacrnjuju fotografsku plou.

U rendgenoskopiji (radioskopiji) senena slika koja se dobija od prosvetljenog objekta vidljiva je na fluorescentnom svetleem ekranu, te moe da se odmah ispituje. Ova metoda je pogodna za ispitivanje supstancija koje se lako prozrauju. Otrina slike i kontrast nisu tako dobri kao kod direktnog rendgenskog snimka, ali se zato slika moe bre koristiti. Ako je slika na svetleem ekranu nedovoljno sjajna (npr. pri prozraivanju debelog materijala), sjaj slike se znatno moe poveati upotrebom pojaavaa slike. Elektroni se kroz elektrostatiki sistem soiva koncentriu na fluorescentni ekran koji daje bitno sjajniju sliku nego primarni ekran.

Primer za rendgenoskopiju je prozraavanje gorivih elemenata za nuklearne reaktore u cilju ispitivanja homogenosti. U nekim sluajevima je bolje da se slika koju baca prozraeni elemenat ispita nekim instrumentom za merenje zraenja,-9-

umesto da se uini vidljivom na svetleem ekranu. U ovom sluaju se merni instrument kombinuje s pisaim instrumentom, koji registruje intenzitet zraenja na papirnoj podlozi. Ovom metodom moe kontinuirano da se ispituje homogenost ili debljina nekog proizvoda koji se izrauje u obliku ice ili trake.

Slika 7 Rendgenska cev za industrijske svrhe

Rendgenska strukturna analiza je metod istraivanja kristalne strukture tela. Zbog svoje talasne prirode, rendgensko zraenje pokazuje osobinu difrakcije. Kao difrakciona reetka se koristi kristalna reetka sa svojom pravilnom strukturom. Neka upadni rendgenski zraci dolaze na kristal pod uglom u odnosu na paralelne ravni koje prolaze kroz vorove (atome) kristalne reetke (Slika 8). Ove ravni se za upadni zrak ponaaju kao polupropusno ogledalo, koje delimino odbija a delimino proputa upadni zrak. Odbijeni zraci izlaze iz kristala pod istim uglom u odnosu na atomske ravni. Poto se ovde radi o koherentnim zracima, na zaklonu (fotografskoj ploi) ostvaruju se likovi difrakcionih maksimuma.

- 10 -

Slika 8 Difrakcija rendgenskog zraenja na kristalnoj reetki

Difrakcioni maksimumi se javljaju na mestima gde je zadovoljen uslov koji zahteva da razlika puteva dva susedna zraka = AB + BC = 2d sin sadri ceo broj talasnih duina : 2 sin = ,

gde je d rastojanje izmeu susednih atomskih ravni, a m = 1, 2, 3, ... (ceo broj). Ovaj izraz se zove Bregova formula.

Sa poznatom talasnom duinom monohromatskih rendgenskih zraka, i veliinom upadnog ugla , merenjem difrakcionih maksimuma na osnovu Bregove formule moe se odrediti rastojanje d koje karakterie strukturu kristala.

Rendgenski zraci su naroito znaajni u medicini. Njima se prosvetljavanjem ljudskog tela mogu pravovremeno otkrivati i tano lokalizovati arita bolesti (rendgenska dijagnostika) i rendgenskim zraenjem razarati npr. elije raka (rendgenska terapija). Rendgenske cevi koje se koriste u medicini rade s manjim snagama nego industrijski rendgenski aparati. Za hlaenje cevi antikatoda je izvedena u vidu okrugle zaseene ploe koju motor brzo okree. Mesto na koje udaraju elektroni zbog toga nije vie statino ve se pomera du obima obrtne anode. Na taj nain se anodna ploa zagreva ravnomerno i posebno rashladno postrojenje nije potrebno.- 11 -

Slika 9 Rendgenski aparat za medicinska snimanja

Poto telesna tkiva (sa izuzetkom kotanog) dobro proputaju rendgenske zrake, teko se dobijaju kontrastne senene slike raznih organa. Zbog toga se kod ispitivanja unutranjih organa u telo unose kontrastna sredstva. Ona imaju visoko apsorpciono dejstvo prema rendgenskim zracima, pa se proputanjem zraenja kroz njih dobija kvalitetnija slika. Primeri za kontrastna sredstva su barijum sulfat i organska jodna jedinjenja.

Slika 10 Rendgenski snimak telesnih tkiva pomou kontrastnog sredstva

- 12 -

U

novije

vreme,

razvoj

informacionih

tehnologija

je

omoguio

osavremenjavanje rendgenske dijagnostike, tako to se umesto filma koriste digitalni detektori koji izmerene vrednosti rendgenskog zraenja prenose na obradu raunarskom sistemu. Ovo se koristi u kompjuterskoj tomografiji (CT computerized tomography), gde se pomou specijalnih skenera na raunarskom sistemu dobijaju precizne dvodimenzionalne i trodimenzionalne slike svih unutranjih organa (slika 11).

Slika 11 ematski prikaz rada CT skenera i primer dobijenog snimka

ZakljuakOd samog otkria i objanjenja prirode rendgenskog zraenja, ono je nalo iroku primenu u raznim oblastima nauke i ivota. Otkrie da talasna duina karakteristinog zraenja pravilno opada sa porastom rednog broja je dovelo do preciznog pozicioniranja elemenata u periodnom sistemu elemenata. U industriji se rendgensko zraenje se koristi za strukturnu analizu, u kriminalistici za dokazivanje prisustva materijala. Najira primena je ipak u zdravstvu i to za dijagnostike i terapeutske svrhe. Prilikom svih primena, obavezno je potovanje propisanih standarda o zatiti jer je izlaganje prekomernom zraenju tetno po zdravlje.

- 13 -

Literatura Boin, Raspopovi, Danilovi - Fizika za III razred gimnazije prirodnomatematikog smera i opte gimnazije, Zavod za udbenike i nastavna sredstva, Beograd, 1994 Juri, M. Atomska fizika, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 1976 Ninkovi, M. Elementi fizike X-zraenja, Kurs udruenja radiologa Srbije, Beograd, 2007 Enciklopedija tehnike, Narodna knjiga, Beograd,1984 Pua, N. Osnovna konstrukcija savremenih rendgenskih aparata, Vrac, 2007

- 14 -