تایمست مجله تکنولوژی
اشعه ایکس یک ابزار تصویربرداری حیاتی است که در سراسر جهان استفاده می‌شود. xray از زمانی بیش از 100 سال پیش برای اولین بار برای تصویربرداری از استخوان ها استفاده شد. اشعه ایکس جان افراد بی شماری را نجات داده و به طیف وسیعی از اکتشافات مهم کمک کرده است.
کاربرد x ray محدوده به پزشکی نیست و در حال حاضر از این فناوری برای بازرسی و امنیت اماکن مختلف نیز استفاده می‌شود. از جمله پرکاربردترین کاربرد دستگاه ایکس ری برای بازرسی، فرودگاه‌ها هستند.
اشعه ایکس یک شکل طبیعی از تابش الکترومغناطیسی است. آنها زمانی تولید می‌شوند که ذرات باردار با انرژی کافی به یک ماده برخورد کنند.
در طول سال ها، دانشمندان نگرانی خود را در مورد پیامدهای اشعه ایکس برای سلامتی نشان داده اند. از این گذشته، آنها شامل تابش پرتو به سمت بیمار هستند. اما، آیا مزایای آن بیشتر از خطرات آن است؟
این مقاله مرکز دانش MNT در مورد چیستی اشعه ایکس، نحوه استفاده از آن در علم پزشکی و میزان خطری که ایجاد می‌کند بحث خواهد کرد.
ایکس ری چیست؟
اشعه ایکس (X-ray) یا پرتو رونتگن (Röntgen radiation)، نوعی تابش الکترومغناطیسی با انرژی زیاد است که در بخشی از طیف الکترومغناطیسی قرار دارد. این پرتو با سرعت نور و در مسیر مستقیم حرکت کرده و به دلیل قدرت نفوذ بالا، از پرانرژی‌ترین انواع تابش‌ها به شمار می‌آید.
ممکن است اشعه ایکس (X-Ray) را به عنوان یک ابزار اصلی برای مطب پزشکان بشناسید – به خصوص اگر شما یا یکی از اعضای خانواده خود برای شکستگی استخوان درمان شده باشید.
اشعه ایکس شکلی از تابش الکترومغناطیسی است که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست. از آنجایی که پرتوهای ایکس طول موج بسیار کوتاهی دارند، می‌توانند از اجسامی عبور کنند که امواج الکترومغناطیسی را در طیف نور مرئی مسدود می‌کنند.
با این حال، مواد متراکم‌تر، مانند استخوان‌ها، تمایل به جذب اشعه ایکس به جای عبور دادن آنها دارند. به همین دلیل است که وقتی به «تصویر» اشعه ایکس نگاه می‌کنید، استخوان‌های بدن را به صورت نواحی سفید می‌بینید و بافت‌های نرم‌تر اطراف آنها خاکستری تیره‌تر هستند.
ماهیت و مشخصات فیزیکی xray
پرتو ایکس از نظر فیزیکی دارای طول موج بسیار کوتاه‌تر و فرکانس بالاتری نسبت به امواج مرئی و رادیویی است. طول موج این پرتو حدود ۰٫۰۱ تا ۱۰ نانومتر بوده و با فرکانس‌هایی بین ۳۰ پتاهرتز تا ۳۰ اگزا هرتز مطابقت دارد. در واقع، طول موج اشعه ایکس از پرتو فرابنفش کوتاه‌تر و از پرتو گاما بلندتر است.
اشعه X در گروه پرتوهای یونیزه‌کننده قرار می‌گیرد، زیرا فوتون‌های آن انرژی کافی برای جدا کردن الکترون‌ها از اتم‌ها و شکستن پیوندهای اتمی را دارند. این امواج از نوع الکترومغناطیسی هستند و برخلاف امواج صوتی که برای انتشار به محیط فیزیکی نیاز دارند، می‌توانند در خلأ نیز حرکت کنند.
تاریخچه کشف اشعه X
پرتو ایکس در سال ۱۸۹۵ توسط فیزیکدان آلمانی ویلهلم کنراد رونتگن (Wilhelm Conrad Röntgen) کشف شد. او هنگام آزمایش با لامپ کاتودی متوجه تابش نوری شد که از یک کریستال پوشانده شده با کاغذ نیز عبور می‌کرد.
از آن‌جا که ماهیت این پرتو در آن زمان ناشناخته بود، رونتگن آن را “ایکس” نامید. او با قرار دادن پرتو در میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی مشاهده کرد که مسیر آن منحرف نمی‌شود، که نشان‌دهنده ماهیت خاص این تابش بود.
رونتگن با عبور دادن این پرتو از دست همسرش توانست اولین تصویر اشعه ایکس از استخوان‌ها و انگشتر او را تهیه کند. این کشف بزرگ باعث شد در سال ۱۸۹۶ نشان رامفورد و در سال ۱۹۰۱ اولین جایزه نوبل فیزیک به او اهدا شود.
ماهیت موجی پرتو ایکس در سال ۱۹۰۶ تأیید شد و در سال ۱۹۱۲، ماکس فون لاوه با انجام آزمایش‌های بلوری، به‌طور قطعی ماهیت موجی آن را اثبات کرد.
دسته‌بندی ایکس ری
اشعه ایکس به طور کلی به دو نوع تقسیم می‌شود:
-
اشعه ایکس نرم (Soft X-rays):
این نوع پرتو دارای طول موجی حدود ۱۰ نانومتر است و از نظر ویژگی‌ها بین پرتوهای فرابنفش و گاما قرار می‌گیرد. ایکس ری نرم به‌راحتی در هوا جذب می‌شود؛ برای مثال، پرتو ایکس با انرژی حدود ۶۰ الکترون ولت در آب کمتر از یک میکرومتر نفوذ دارد. -
اشعه ایکس سخت (Hard X-rays):
این پرتوها طول موج کوتاه‌تری در حدود ۱۰۰ پیکومتر دارند و از نظر انرژی نزدیک به امواج گاما هستند. پرتوهای سخت دارای فوتون‌هایی با انرژی بالا (بیش از ۵ تا ۱۰ کیلوالکترون‌ولت و طول موج حدود ۰٫۱ تا ۰٫۲ نانومتر) هستند. به دلیل قدرت نفوذ زیاد، از این نوع پرتو برای تصویربرداری از داخل اجسام، به‌ویژه در کاربردهای پزشکی و صنعتی، استفاده می‌شود.
منابع تولید این دو نوع پرتو نیز متفاوت است؛ پرتوهای نرم معمولاً از شتاب‌دهی الکترون‌ها به دست می‌آیند، در حالی که پرتوهای سخت یا امواج گاما در نتیجه واکنش‌های هسته‌ای تولید می‌شوند.
نحوه تولید اشعه ایکس
اشعه ایکس زمانی تولید می‌شود که ذرات باردار، مانند الکترون‌ها یا یون‌ها، با انرژی بالا به سطح یک ماده برخورد کنند. اساس تولید این پرتو بر پدیده‌ای به نام تابش ترمزی (Bremsstrahlung) استوار است.
تولید اشعه ایکس توسط الکترون‌ها
اشعه ایکس معمولاً درون تیوب اشعه ایکس (لوله‌ای تحت خلأ) تولید می‌شود. مراحل تولید شامل موارد زیر است:
- تولید الکترون: الکترون‌ها از طریق گرم شدن یک کاتد داغ تولید می‌شوند.
- شتاب‌دهی الکترون‌ها: این الکترون‌ها در محیط خلأ شتاب می‌گیرند تا به سرعت بسیار بالا برسند.
-
برخورد با هدف: الکترون‌های پرانرژی به صفحه فلزی (آند) برخورد می‌کنند. جنس آند معمولاً از تنگستن یا ترکیب رنیوم و تنگستن است. در کاربردهایی مانند ماموگرافی، که به اشعه نرم نیاز است، از مولیبدن استفاده می‌شود.
- تولید اشعه ایکس: انرژی جنبشی الکترون‌ها در لحظه برخورد به پرتو ایکس تبدیل می‌شود.
در زمان برخورد، دو نوع تابش مختلف به وجود می‌آید:
-
تابش ترمزی: زمانی رخ می‌دهد که الکترون‌ها در میدان قوی هسته منحرف شوند و طیف پیوسته‌ای از پرتو ایکس ایجاد کنند.
- پرتو مشخصه: در صورتی که انرژی الکترون‌ها زیاد باشد، می‌توانند الکترون‌های درونی اتم را جدا کنند. سپس الکترون‌های لایه‌های بالاتر جای خالی را پر کرده و در این فرایند پرتو ایکس با فرکانس مشخص تولید می‌شود.
تولید پرتوهای متمرکز
در مقیاس صنعتی، پرتوهای بسیار قدرتمند و متمرکز اشعه ایکس با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذرات یا سنکروترون‌ها تولید می‌شوند. در این روش، ذرات باردار با سرعتی نزدیک به سرعت نور در مسیری دایره‌ای حرکت کرده و در نتیجه پرتوهای ایکس با انرژی و تمرکز بالا منتشر می‌کنند.
واکنش x-ray با مواد
اشعه ایکس به دلیل قدرت نفوذ زیاد می‌تواند از مواد مختلف عبور کند، هرچند مواد متراکم مانند استخوان یا فلز، آن را تا حد زیادی جذب می‌کنند. همین ویژگی باعث می‌شود استخوان‌ها در عکس‌های رادیولوژی سفیدتر دیده شوند.
پرتو ایکس هنگام برخورد با مواد، سه نوع اثر اصلی ایجاد می‌کند:
-
اثر فوتوالکتریک: فوتون پرتو ایکس تمام انرژی خود را به الکترون منتقل کرده و باعث خروج آن از اتم می‌شود. این پدیده در پرتوهای نرم و کم‌انرژی بیشتر دیده می‌شود.
-
اثر کامپتون: در برخورد پرتو ایکس با بافت‌های نرم رخ می‌دهد. فوتون با از دست دادن بخشی از انرژی خود پراکنده می‌شود و طول موجش افزایش می‌یابد.
- پراکندگی رایلی: در این حالت، فوتون بدون از دست دادن انرژی، تنها جهت حرکت خود را تغییر می‌دهد.
کاربردهای اشعه ایکس
اشعه ایکس کاربردهای گسترده‌ای در پزشکی، صنعت، امنیت و پژوهش‌های علمی دارد.
1. کاربردهای پزشکی
ورود اشعه ایکس به علم پزشکی، نقطه عطفی در تشخیص بیماری‌ها بود. مهم‌ترین کاربردهای آن شامل موارد زیر است:
- تشخیص و عکس‌برداری: از اشعه ایکس برای تهیه تصاویر از استخوان‌ها و اندام‌های داخلی استفاده می‌شود.
- رادیوگرافی: در این روش، پرتو از بدن عبور می‌کند و تفاوت در جذب آن توسط بافت‌ها، تصویر نهایی را شکل می‌دهد.
-
تشخیص شکستگی‌ها، پوسیدگی دندان و بیماری‌های داخلی: از جمله مواردی هستند که با پرتو ایکس قابل شناسایی‌اند.
- ماموگرافی: روش تخصصی تصویربرداری از بافت پستان برای تشخیص زودهنگام سرطان.
- سی‌تی اسکن (CT Scan): ترکیبی از اشعه ایکس و پردازش کامپیوتری برای ایجاد تصاویر سه‌بعدی دقیق از اندام‌ها.
- رادیوسکوپی: مشاهده مستقیم اندام‌های داخلی با استفاده از پرتوهای متحرک.
- پرتودرمانی (رادیوتراپی): از اشعه ایکس با انرژی بالا برای از بین بردن سلول‌های سرطانی استفاده می‌شود.
- ضدعفونی تجهیزات پزشکی: برای از بین بردن میکروب‌ها و ویروس‌ها بر روی ابزارآلات جراحی.
2. کاربردهای صنعتی، امنیتی و علمی
-
امنیت: در فرودگاه‌ها و مراکز حساس، دستگاه‌های ایکس‌ری برای بررسی چمدان‌ها و شناسایی اشیای خطرناک به کار می‌روند.
- کنترل کیفیت در صنعت: از اشعه ایکس برای تشخیص ترک‌ها، حفره‌ها و نقص‌های داخلی قطعات فلزی بدون آسیب رساندن به آنها استفاده می‌شود (تست غیرمخرب).
- تحقیقات علمی: در علم مواد، از کریستالوگرافی اشعه ایکس برای تعیین ساختار بلوری مواد استفاده می‌شود، زیرا طول موج پرتو ایکس تقریباً هم‌اندازه فاصله بین اتم‌هاست.
- باستان‌شناسی: برای بررسی ساختار داخلی مومیایی‌ها و آثار تاریخی بدون باز کردن یا آسیب رساندن به آنها از اشعه ایکس استفاده می‌شود.
حقایقی در مورد ایکس ری
- اشعه ایکس یک نوع تشعشع طبیعی است.
- این تشعشعات به عنوان سرطان زا طبقه بندی می‌شوند.
- فواید ایکس ری بسیار بیشتر از هرگونه پیامد منفی بالقوه است.
- سی تی اسکن بیشترین دوز اشعه ایکس را در مقایسه با سایر روش های اشعه ایکس انتشار می‌دهد.
- در اشعه ایکس، استخوان‌ها به رنگ سفید و گازها سیاه دیده می‌شوند.
- اولین اشعه ایکس بیش از 100 سال پیش انجام شد.
- ویلهلم رونتگن اولین توصیف پرتوهای ایکس است. تنها چند هفته پس از اینکه او متوجه شد که آنها می‌توانند به تجسم استخوان ها کمک کنند، اشعه ایکس در یک محیط پزشکی مورد استفاده قرار گرفت.
- اولین فردی که برای مقاصد پزشکی اشعه ایکس دریافت کرد، ادی مک کارتی جوان از هانوفر بود که در سال 1896 هنگام اسکیت روی رودخانه کنتیکت سقوط کرد و مچ دست چپش شکست.
- همه افراد روی کره زمین در طول زندگی روزمره خود در معرض مقدار مشخصی از تشعشعات قرار می‌گیرند. مواد به طور طبیعی در هوا، خاک، آب، سنگ ها و پوشش گیاهی یافت می‌شوند. بزرگترین منبع تابش طبیعی برای اکثر مردم رادون است.
- علاوه بر این، زمین به طور مداوم توسط تشعشعات کیهانی، که شامل اشعه ایکس است، بمباران می‌شود. این پرتوها بی ضرر نیستند، اما اجتناب ناپذیر هستند و تابش آنقدر پایین است که تأثیرات آن عملاً قابل توجه نیست.
- خلبانان، خدمه کابین و فضانوردان به دلیل افزایش قرار گرفتن در معرض پرتوهای کیهانی در ارتفاع، بیشتر در معرض خطر دوزهای بالاتر هستند.
- با این حال، مطالعات کمی‌وجود دارد منبع مورد اعتماد که شغل هوابرد را با افزایش بروز سرطان مرتبط می‌کند.
