Röntgenovo záření

22. únor 2009 | 06.00 |

ani

Dnes už nám nepřipadá zvláštní, že lékaři mohou nahlížet do lidského těla. Umožňují jim to rentgenové snímky, ultrazvuk, kamery a monitory počítačů. Na počátku byl náhodný objev Wilhelma Conrada Röntgena. Máme povědomí i o přesném datu té události - 8. listopadu 1895.

Existuje několik verzí tohoto objevu. Podle jedné z nich profesor fyziky na univerzitě ve Würzburgu byl právě na odchodu ze své laboratoře, když si všimnul podivného záblesku v jednom koutě místnosti. Začal pátrat po zdroji tohoto záhadného jevu a zjistil, že omylem zůstala zapnutá jedna katodová trubice. Ale ta by neměla vydávat žádné světlo, protože byla obalená neprůsvitným papírem. Světlo vyzařovala hromádka krystalků kyanidu, která byla nedopatřením v blízkosti trubice. Profesor Röntgen se na několik dnů uzavřel do laboratoře, nejedl, nespal a nakonec odhalil původce záření a zároveň pachatele, který mu znehodnocoval fotografické desky uložené ve skříni: dosud neznámé paprsky.

Druhá verze uvádí, že při pokusech s katodovou trubicí nechal Röntgen na pracovním stole krabičku, do které pravidelně odkládal svůj prsten. Na stole byly v těsné blízkosti také zabalené fotografické papíry. Krátce po pokusu, při kterém mu – k jeho rozladění – trubice shořela, použil filmy. Röntgen byl sice barvoslepý, ale dovedl přesně rozeznávat nejjemnější rozdíly jasu světla. A na filmech objevil podivný kaz, který se tvarem nápadně podobal jeho prstenu.

Už však  před Rentgenovým objevem fyzik Hittorf pozoroval ve vakuové trubici záření, které způsobovalo při dopadu na stěnu trubice světélkování. Roku 1876 je Eugene Goldstein nazval katodovým zářením. Toto záření bylo dále fyziky vášnivě zkoumáno, zejména anglický fyzik William Crookes studoval výboje v řídkých plynech a zkonstruoval skleněnou trubici s elektrodami naplněnou zředěným plynem, v němž při přiložení vysokého stejnosměrného napětí dojde k výboji doprovázenému zářením. Když umístil neexponované fotografické desky nedaleko od trubice, na desce se objevily šmouhy, přestože tento efekt nechtěl zkoumat. Tato trubice je dnes nazývána Crookesova.

V roce 1887 začal zkoumat rentgenové záření Nikola Tesla pomocí vysokého napětí, vakuových trubic vlastní konstrukce a Crookesových trubic. Vymyslel a vyrobil trubici s jedinou elektrodou, ostatní trubice na zkoumání rentgenového záření měly dvě elektrody. Tesla zřejmě pozoroval jev označovaný dnes jako brzdné záření,  své pozorování tohoto jevu označil za zářivou energii, ale výsledky pokusů nezveřejnil.

V roce 1892 německý fyzik Heinrich Hertz demonstroval, že katodové záření může pronikat velmi slabou hliníkovou destičkou. Ani Philip Lenard, žák Heinricha Hertze, který dále prozkoumával tento efekt ve vlastních katodových trubicích nezjistil, že se jedná o rentgenové záření.

A tak náhoda přála připravenému. Röntgen 28. prosince 1895 napsal zprávu "O novém druhu paprsků" a poslal ji do žurnálu Würzburgské lékařské společnosti. Röntgen nazývá záření "paprsky X″ (X jako neznámá a také, jak uvádí, pro stručnost). Konstatuje v ní, že většina předmětů je pro paprsky X průchodná, paprsky se neodrážejí ani nelomí, ale i materiály, které jsou pro paprsky neprůchodné, zřejmě rovněž jakýmsi způsobem interagují se zářením X. Mnoho jeho kolegů se však domnívalo, že by se mělo jmenovat po Röntgenovi. Röntgen za své objevy obdržel vůbec první Nobelovu cenu za fyziku v roce 1901. Celou částku spojenou s tímto oceněním věnoval své univerzitě a nepřijal ani další pocty včetně šlechtického titulu. Ve stáří proto žil v nemoci a chudobě. Obyčejní lidé, kteří měli příležitost seznámit se s jeho povahou, ho ovšem měli rádi a prokazovali mu úctu. Na venkově, kde měl malou dřevěnou chatu, se mu dokonce dostalo výsady, v místních poměrech zcela ojedinělé. Sousedé mu dovolili volně chodit po jejich polích a loukách. To byla jediná výhoda, jakou za svůj dlouhý a plodný život od někoho přijal.

Rentgenové zážení je ionizující elektromagnetické záření, způsobené proudem fotonů o energiích několik desítek až stovek keV a vlnových délkách v rozmezí 10–12 až 10–8 m (1pm až 10 nm). Přirozenými zdroji tohoto záření jsou hlavně atomy při vysokých teplotách ve hvězdách,  rentgenovo záření je součástí kosmického záření. Uměle se získává například v betatronu či v rentgence.


Rentgenka je skleněná trubice s katodou a anodou, ve které je vakuum. Katoda je tvořena žhaveným wolframovým vláknem, ze kterého vylétají elektrony. Jsou usměrňovány Wehneltovým válcem do jednoho místa na anodě. Mezi zápornou katodou a kladnou anodou je vysoké napětí v řádu desítek až stovek kilovoltů. Elektrony jsou vysokým napětím urychlovány a velkou rychlostí dopadají na wolframovou anodu. Při dopadu se asi 99 % jejich kinetické energie mění na teplo a jen nepatrná část se mění na energii fotonů rentgenového záření, vystupujího z anody. Anoda musí být intenzivně chlazena vodou, vzduchem nebo rotací, při které se neustále mění místo dopadu elektronového svazku.
Intenzita (množství) rentgenového záření závisí na počtu elektronů, dopadajích na anodu a reguluje se změnou proudu, kterým se žhaví vlákno katody. Pronikavost záření se reguluje změnou velikosti napětí mezi katodou a anodou: záření je tím pronikavější, čím větší je napětí. Málo pronikavému záření se říká měkké (vlnové délky větší než 0,1 nm), velmi pronikavé záření je tvrdé (kratší vlnové délky než 0,1 nm). Vlnové délky nejenergičtější části se částečně překrývají se zářením gama, avšak rozlišujeme je podle původu. Foton rentgenového záření vzniká při interakcích vysoce energického elektronu, kdežto záření gama při procesech uvnitř jádra atomu.


Z anody vystupuje rentgenové záření dvojího druhu - brzdné a charakteristické.
Brzdné záření  vzniká tak, že rychle letící elektrony (1) se dopadem na anodu náhle zbrzdí a jejich kinetická energie se přemění na energii fotonů (2) elektromagnetického záření. Toto záření obsahuje fotony všech vlnových délek, proto je spektrum brzdného záření spojité.

brzd

Charakteristické záření je způsobeno tím, že elektron (1) dopadající na anodu může vyrazit některý elektron (2) z nejvnitřnějších hladin atomu materiálu anody. Tím vzniká neobsazené místo, které je okamžitě obsazeno jiným elektronem z vnějších hladin za vyzáření fotonu (3) rentgenového záření s energií rovnou energetickému rozdílu mezi elektronovými hladinami. Charakteristické záření má proto čárové spektrum, které je závislé na materiálu anody.

char

Poté, co Röntgen objevil využití pro pozorování kostních struktur, se rozvinulo jeho užívání v lékařském snímkování. Prvním "lékařským" snímkem byla dokonce ruka jeho manželky se snubním prstýnkem.

ruka

Rentgenové záření může být využito pro zobrazení detailů kostí či zubů popřípadě za pomoci vhodných technik i ke zkoumání měkké tkáně (denzitografie, subtrakční skiagrafie, tomografie). Radiologie je specializovaný obor lékařství využívající rentgenového záření v diagnostice. Toto je pravděpodobně nejčastější využití rentgenového záření. Tvrdé záření prochází i značně silnými vrstvami látek a méně se pohlcuje, používá se v defektoskopii a v diagnostice. Měkké záření je pohlcováno více, používá se v rentgenové terapii.

Rentgenové záření se rovněž využívá v krystalografii.

Program Zajímavá fyzika - rtg záření  je možné stáhnout zde:

http://www.sosej.cz/Zajimava-Fyzika-Rtg-Zareni.html
Ve třech hlavních částech programu se dozvíte o historii objevu, podstatě RTG a jeho použití. HTML soubor je doplněn obrázky, schématy i animacemi.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.38 (8x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře