Od czego się zaczęło?
W 1858 roku niemiecki fizyk i matematyk Julius Pluckner eksperymentował z lampą wyładowczą zbudowaną przez szklarza Heinricha Geisslera. Umieszczone na dwóch końcach lampy elektrody podłączono do prądu o wysokim napięciu, a następnie z lampy wypompowywano powietrze. Gdy ciśnienie powietrza w lampie stało się dostatecznie niskie, pomiędzy elektrodami nastąpiło wyładowanie elektryczne. Plucker zauważył, że szkło lampy naprzeciw katody zaczęło świecić zielonkawym fosforyzującym światłem. Ten zielony punkt świetlny można było w pewnym zakresie przesuwać, zbliżając do lampy magnes.
Promienie katodowe
Dalsze badania prowadzone w tym kierunku doprowadziły w 20 lat później do zbudowania ulepszonej lampy wyładowczej. Dokonał tego William Crookes. W 1876 roku niemiecki fizyk Eugen Goldstein doszedł do wniosku, że owo fosforyzujące światło jest spowodowane emisją jakiegoś promieniowania przez katodę. Nazwał to promieniowanie „promieniami katodowymi:. W1878 roku Crookes przedstawił wyniki własnych prac badawczych nad naturą tych promieni. Opisał je jako strumień molekuł. Dopiero w 1897 roku Anglik J.J.Thomson wykazał, że strumień ów składa się nie z molekuł, lecz z ujemnie naładowanych bardzo drobnych cząsteczek, które nazwano elektronami.
Naukowcy byli podekscytowani odkryciem promieni katodowych i wielu rozpoczęło doświadczenia z ulepszoną lampą Crookesa. Jednym z nich był niemiecki uczony – odkrywca fal radiowych – Heinrich Hertz. W 1892 roku zauważył on, że niektóre z promieni katodowych przechodzą przez cienkie płytki metalowe. Niestety, Hertz umarł bardzo młodo, zaledwie w 2 lata po tym odkryciu i nie był w stanie doprowadzić badań do końca. Jednak w 1894 roku inny niemiecki fizyk Philipp Lenard skonstruował lampę, wyposażoną w aluminiowe okno, na którym powtórzył doświadczenie Hertza. Później, w 1895 roku Wilhelm Róntgen, podążając tym tropem, dokonał wielkiego odkrycia.
Wilhelm Konrad von Róntgen urodził się w Lennep w Niemczech 27 marca 1845 roku. W młodości kształcił się jednak w Holandii, a potem studiował w Zurychu w Szwajcarii. W 1885 roku został profesorem fizyki na uniwersytecie w Wurtzburgu. To właśnie tam zaczął powtarzać doświadczenia Hertza i Lenarda.
Odkrycie promieni X
Nieco wcześniej odkryto, że ekran pokryty platyno-cyjankiem baru umieszczony na końcu rury lampy Lenarda fosforyzuje tak samo jak lampa używana przez Pluckera. Róntgen użył lampy Crookesa wykonanej z wyjątkowo grubego szkła, by zbadać, czy promienie katodowe przenikają przez szkło. Któregoś dnia osłonił lampę czarnym papierem i zaciemnił laboratorium przed ustawieniem ekranu fluorescencyjnego z platynocyjankiem baru. Zdziwiony, zauważył słabą luminescencję w pewnej odległości od lampy. Zapaliwszy zapałkę, stwierdził, że owo światło pochodzi z ekranu fluorescencyjnego leżącego na ławce więcej niż metr od osłoniętej lampy.
Wcześniej Lenard zauważył, że promienie katodowe rozpraszają się w powietrzu na bardzo krótkim dystansie. Oczywiste więc wydawało się, że tym, co spowodowało luminescencję nie były promienie katodowe. Róntgen nazwał tajemnicze promieniowanie promieniami X. W raporcie datowanym na 28 grudnia 1895 r. opisał ich podstawowe własności jak następuje:
l) Wszelkie substancje są dla promieni X w mniejszym lub większym stopniu przejrzyste, na przykład w kolejności zmniejszającej się przejrzystości są to drewno, aluminium, szkło ołowiowe.
2) Wiele substancji (np. platynocyjanek baru, związki wapnia, szkło uranowe, sól kamienna) fosforyzuje przy naświetlaniu promieniami X.
3) Emulsje fotograficzne są czułe na promienie X.
4) Promienie X nie są odbijane i załamywane przez znane substancje, nie można ich skupić za pomocą soczewek.
5) Promienie X, rozchodzą się po liniach prostych, a ich tor nie zakrzywia się w polu magnetycznym, jak tor promieni katodowych.
6) Promienie X, padając na ciało naelektryzowane (obojętnie dodatnio czy ujemnie), powodują, że ciało to traci ładunek elektryczny.
7) Promienie X powstają, gdy promienie katodowe z lampy wyładowczej padają na ciało stałe.
Dwa ostatnie spostrzeżenia szybko zaowocowały nowymi rozwiązaniami technologicznymi. W ciągu kilku miesięcy J. J. Thomson wskazał, że zdolność promieni X do rozładowywania ciał naładowanych elektrycznie może być wykorzystywana do określania natężenia promieniowania. Następnie stwierdzono, że płyta wykonana z ciężkiego pierwiastka emituje promienie X znacznie efektywniej niż płyta wykonana z pierwiastka lekkiego, na przykład platyna jest znacznie wydajniejsza niż aluminium. Herbert Jackson zastąpił wkrótce lampę Crookesa swą konstrukcją, w której promienie katodowe były ogniskowane przed uderzeniem w odpowiednią metalową anodę.
Róntgen szybko zyskał sławę dzięki swemu odkryciu. W 1896 roku wraz z Lenardem otrzymał Medal Rumforda przyznawany przez Towarzystwo Królewskie w Londynie. W 1900 roku zaproponowano mu posadę profesora fizyki w Monachium, gdzie prowadził szeroko zakrojone prace badawcze. W 1901 roku otrzymał Nagrodę Nobla. Zmarł w Monachium 10 lutego 1923 roku.
Czym są promienie Róntgena?
Przez kilka lat po odkryciu promieni X (nazwanych później promieniami Róntgena) oraz promieniotwórczości (dokonał tego Henri Becquerel w 1896 roku) uważano powszechnie, że oba zjawiska są po prostu strumieniami cząstek. Ten punkt widzenia zyskał na popularności, gdy Thomson w 1897 roku stwierdził, że promienie katodowe to strumień elektronów. W 1906 roku angielski fizyk Charles Barkla, badając rozpraszanie promieni X na węglu, odkrył, że atomy węgla zawierają po 6 elektronów. Jednocześnie Niemiec Max von Laue zauważył, że promienie Róntgena ulegają dyfrakcji na kryształach siarczku cynku. Dyfrakcja jest właściwością fal. Okazało się więc, że promieniowanie X to fala elektromagnetyczna o bardzo wysokiej częstotliwości. W tym samym 1906 roku Albert Einstein wyjaśnił, w jaki sposób promienie X mogą powodować świecenie napromieniowanego nimi luminoforu.
Pierwszą dziedziną, w której promienie Róntgena znalazły praktyczne zastosowanie, była medycyna. Promienie X mają bowiem zdolność przenikania prawie wszystkich substancji, w tym tkanki ciała. Już w 1896 roku promienie X były wykorzystywane we Francji do diagnozowania gruźlicy. Podczas I wojny światowej rentgenografia służyła do poszukiwania kuł i odłamków w ciałach zranionych żołnierzy. Stopniowo uświadamiano sobie, że promienie Róntgena są szkodliwe i ograniczono stosowanie tej formy diagnostyki.
Rentgenowskie promieniowanie
Promienie rentgenowskie są to promienie X, promieniowanie elektromagnetyczne o fali dł. od ok. 0,0001 nm do ok. 100 nm; powstaje w wyniku hamowania cząstek naładowanych przez materię (tzw. promieniowanie hamowania) lub w rezultacie przejścia elektronów w atomach (zjonizowanych w powłoce wewn., np. przez bombardowanie materii elektronami) z poziomów o wyższej energii na poziomy o energii niższej (tzw. promieniowanie charakterystyczne, rentgenowskie widmo). Źródłem promieniowania rentgenowskiego są różnego rodzaju lampy rentgenowskie, pierwiastki promieniotwórcze, akceleratory cząstek, a także wiele ciał niebieskich (rentgenowskie źródła, astr.). Promieniowanie rentgenowskie dzieli się na: promieniowanie rentgenowskie miękkie, o większej długości fali, mniej przenikliwe, i promieniowanie rentgenowskie twarde, o mniejszej długości fali, bardziej przenikliwe. Podczas przechodzenia przez materię promieniowanie rentgenowskie jest absorbowane i rozpraszane; ulega dyfrakcji, interferencji, polaryzacji, załamaniu i całkowitemu odbiciu; powoduje zaczernienie emulsji fot., wywołuje jonizację gazów, fluorescencję i fosforescencję niektórych substancji, reakcje fotochem. i zmiany w komórkach organizmów (mutacja); dla oka jest niewidzialne, wykrywa się je i bada m.in. za pomocą ekranu luminescencyjnego, błon fot., liczników: Geigera–Mllera, scyntylacyjnych, proporcjonalnych. Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane m.in.: do celów leczniczych (rentgenodiagnostyka, rentgenoterapia), badania składu chemicznego substancji (rentgenospektralna analiza) oraz badania struktur kryształów (krystalografia rentgenowska, rentgenostrukturalna analiza). Zostało odkryte 1895 przez W.C. Rentgena. Zob. też rentgenowskie widmo.
Budowa lampy rentgenowskiej
Lampa rentgenowska składa się:
· Ujemnie naładowanej katody ( elektroda doprowadzająca ujemne nośniki ładunku do obszaru międzyelektrodowego (lub odprowadzająca dodatnie); jest połączona z ujemnym biegunem zewn. źródła prądu; ma potencjał niższy (jest elektrodą ujemną) od współpracującej z nią anody)
· Antykatody wolframowej, która znajduje się w dodatniej anodzie (anoda jest to elektroda odprowadzająca ujemne nośniki prądu z obszaru międzyelektrodowego (lub doprowadzająca dodatnie); jest połączona z dodatnim biegunem zewn. źródła prądu; ma potencjał wyższy (jest elektrodą dodatnią) od potencjału współpracującej z nią (w przyrządzie) katody)
· Szklanej bańki próżniowej lub szklano-metalowej.
Sposób działania
Po załączeniu lampy rentgenowskiej, elektrody z ujemnie naładowanej katody bombardują wolframową antykatodę umieszczoną w dodatnio naładowanej miedzianej anodzie. Te elektrony wytwarzają promienie X dwoma sposobami:
1. Elektron może być wyhamowany i odbity przez atom wolframu emitując przy tym energir w postaci promieniowania rentgenowskiego.
2. Elektron też może wybić z zewnętrznej orbity atomu wolframu jeden z jego elektronów, wówczas promieniowanie rentgenowskie powstaje wskutek przejścia elektronu z orbity zewnętrznej na miejsce wybitego wcześniej elektronu.
Antykatoda wolframowa ustawiona pod kątem umożliwia wysłanie wiązki promieniowania rentgenowskiego przez okienko ramki.
Zastosowanie lampy rentgenowskiej
Lampa rentgenowska znajduje użytek w aparacie rentgenowskim. APARAT RENTGENOWSKI, jest to urządzenie do wytwarzania i wykorzystania promieniowania rentgenowskiego; składa się m.in. z transformatora wysokiego napięcia, prostownika prądu elektrycznego, układu sterowania, lampy rentgenowskiej i ewentualnie ekranu rentgenowskiego (ekran luminescencyjny przetwarzający promieniowanie rentgenowskie w promieniowanie widzialne). Aparat rentgenowski posiada ołowianą obudowę, która zapobiega niekontrolowanej emisji promieni rentgenowskich z urządzenia. Dodatkowo lampa rentgenowska powoduje wytwarzanie znacznych ilości ciepła, toteż zanurzona jest w oleju, który utrzymuje odpowiednio niską temperaturę. Aparaty rentgenowskie są wykorzystywane w rentgenowskiej diagnostyce.
Bibliografia:
· „Świat wiedzy” - dział „Ciało człowieka”
· „Jak to działa?” - płyta CD
· „Encyklopedia multimedialna PWN – Nauka”
