امروز : سه شنبه, 21 آبان 1398
همه چیز راجع به x-ray(بخش دوم)

آیا اشعه‌ی ایکس برای شما ضرر دارد؟
اشعه‌‌های ایکس اکتشافات فوق‌العاده‌ای در دنیای پزشکی هستند؛ آن‌ها به پزشکان اجازه می‌دهند بدون هیچگونه عمل جراحی داخل بدن انسان را ببینند. دیدن یک استخوان شکسته بوسیله‌ی اشعه‌ی ایکس نسبت به باز کردن اعضای بدن‌ بیمار بسیار آسان‌تر و امن‌تر است.
 اما اشعه‌های ایکس می‌توانند مضر نیز باشد. در اولین روز‌های علم اشعه‌ی ایکس، بسیاری از پزشکان برای مدت‌های طولانی، خود و بیماران را در معرض این پرتو‌ها قرار می‌دادند. سرانجام پزشکان و بیماران شروع به مبتلا شدن به بیماری تابشی کردند و جامعه‌ی پزشکی متوجه شد یک جای کار ایراد دارد.
مشکل اینجاست که اشعه‌‌های ایکس شکلی از تابش یونیزه کننده یا یونساز هستند. وقتی نور معمولی به اتم برخورد می‌کند نمی‌تواند اتم را به طور قابل توجهی تغییر دهند. اما وقتی اشعه‌ی ایکس به اتمی برخورد می‌کند می‌تواند الکترون‌ها را از اتم بیرون کند و یون که یک اتم دارای بار الکتریکی است تولید کند. الکترون‌های آزاد می‌توانند با دیگر اتم ها برخورد کرده و یون‌های بیشتری تولید کنند.
بار الکتریکی یون می تواند درون سلول‌ها باعث واکنش‌های غیرطبیعی شود. این بار به علاوه‌ی چیز‌های دیگر میتواند زنجیر‌های دی ان اِی را بشکند. سلولی که رشته‌‌ی دی ان ای شکسته داشته باشد یا می‌میرد و یا دی ان ای جهش پیدا می‌کند. اگر سلول‌های زیادی بمیرند، بدن به بیماری‌های متعددی دچار می‌شود. اگر دی ان ای جهش پیدا کند، سلول ممکن است سرطانی بشود و امکان دارد این سرطان پیشرفت کند. اگر جهش در سلول اسپرم یا تخمک باشد ممکن است باعث نقایصی هنگام تولد شود. به دلیل تمامی این خطرات، امروزه پزشکان به ندرت از اشعه‌ی ایکس استفاده ‌می‌کنند.
حتی با وجود این خطرات، اسکن اشعه‌ی ایکس هنوز انتخاب ایمن‌تری نسبت به جراحیست. دستگاه‌های اشعه‌ی ایکس ابزاری ارزشمند در پزشکی و همچنین امتیازی در امنیت و تحقیقات علمی به حساب می‌آیند. براستی که یکی از کارآمد‌ترین اختراعات زمانه هستند.

 

 فیزیکدان آلمانی، ویلهلم رونتگن

شکل جدیدی از تابش در سال 1895 بوسیله‌ی ویلهلم رونتگن فیزیکدان آلمانی کشف شد. نام آن را به دلیل طبیعت ناشناخته‌اش تابش ایکس گذاشت. این تابش اسرار‌آمیز قابلیت رد شدن از میان بسیاری از موادی را داشت که نور مرئی را جذب می‌کنند. اشعه‌ی ایکس همچنین توانایی آزاد کردن الکترون‌ها از اتم‌ها را نیز دارد. در طی سال‌ها این خواص استثنایی، اشعه‌ی ایکس را در زمینه‌های بسیاری از جمله پزشکی و تحقیق درباره‌ی طبیعت اتم مفید واقع کرده.

 

سرانجام اشعه‌‌های ایکس شکلی دیگر از نور شناخته شدند. نور تنها فراورده‌ی جانبی جنبش، لرزش و هرج و مرج مداوم همه‌ی مواد است.

ماده، مانند توله سگی پر جست و خیز، نمی‌تواند ساکن باشد. صندلی‌ای که روی آن نشسته‌اید ممکن است به نظر ساکن بیاید اما اگر می‌توانستید اتم‌های آن را ببینید، می‌دیدید که اتم‌ها و مولکول‌ها صدها تا تریلیون‌ها بار در ثانیه در حال لرزیدن و برخورد با یکدیگرند، درحالی که الکترون با سرعت تقریبا یک میلیون و ششصد کیلومتر بر ساعت می‌چرخند.

هنگامی‌ که ذرات بار دار با هم برخورد می‌کنند – یا در حرکتشان تغییر ناگهانی ایجاد می‌شود – دسته‌هایی از انرژی به نام فوتون تولید می‌کنند که با سرعت نور از محل حادثه پرواز می‌کنند. در حقیقت اصطلاح فنی آنها نور یا تابش الکترومگنتیک است. از آن جایی که الکترون‌ها سبک‌ترین ذره‌ی باردار شناخته‌شده اند، بسیار ناآرامند، درنتیجه مسئول اکثر فوتون های تولید شده در جهان هستند.

نور می‌تواند صورت‌های مختلفی به خود بگیرد. امواج رادیویی، ریزموج، فروسرخ، مرئی، فرابنفش، اشعه‌ی ایکس و تابش گاما همه صورت‌های مختلفی از نور هستند.

نیروی فوتون، نوع نور را مشخص می‌کند. امواج رادیویی از فوتون‌های با انرژی کم تشکیل شده‌اند. فوتون‌های بصری – تنها فوتون‌هایی که به وسیله‌ی چشم انسان دریافت می‌شوند – میلیون‌ها بار بیشتر از فوتون رادیویی‌ معمولی نیرو دارد.

سرعت ذرات در هنگام لرزش یا برخورد با یکدیگر، حدی برای انرژی فوتون مشخص می‌کند. سرعت مقیاس دما نیز هست.( در یک روز گرم، ذرات هوا نسبت به یک روز سرد سریع‌تر حرکت می‌کنند.)

دمای هوای پایین ( صدها درجه زیر صفر سلسیوس) فوتون‌های رادیویی و ریزموج کم انرژی تولید می‌کند درحالی که بد‌ن‌های گرمی مثل ما ( حدود 37 درجه سلسیوس) تابش فروسرخ تولید می‌کنند. دما‌ی بسیار بالا (میلیون‌ها درجه‌ی سلسیوس) اشعه‌ی ایکس تولید می‌کند.

 

 

 طیف الکترومغناطیسی
طول موج تابش تولید شده از یک شیء معمولا وابسته به دما‌ی آن است.

خود فوتون‌ها نیز می‌توانند با الکترون‌ها برخورد کنند. اگر انرژی الکترون‌ها از فوتون‌ها بیشتر باشد، برخوردشان می‌تواند انرژی فوتون‌ها را افزایش دهد. به این ترتیب، فوتون‌ها می‌توانند از فوتون‌های کم انرژی به فوتون‌های پر انرژی تبدیل شوند. باور بر این است که این فرایند که پراکندگی کامپتون یا اثر کامپتون نام دارد، در اطراف سیاه‌چاله‌ها که ماده متراکم بوده وتا میلیون‌ها درجه گرم شده، مهم است.

 

فوتون‌های جمع شده فضا به‌وسیله‌ی تلسکوپ‌های اشعه‌ی ایکس نقاط گرم جهان را آشکار می‌کنند—نواحی‌ای که ذرات درآنجا با انرژی شده یا به‌وسیله‌ی انفجار‌های عظیم و یا میدان گرانشی قوی دمایشان افزایش یافته است.
این شرایط در چه مکان‌هایی وجود دارد؟ در انواع عجیبی از مکان‌ها. از فضا‌های وسیع بین کهکشان‌ها گرفته تا دنیا‌های عجیب و متلاشی شده‌ی ستاره‌های نوترونی و سیاه چاله‌ها.

             خطوط جذب و نشر
 طیف گریتینگ انتقال انرژی بالا‌ی چاندرا NGC 4151

وقتی به یک الکترون آزاد به‌وسیله‌ی میدان الکتریکی یک پروتون یا اتم باردار (یون) سرعت داده می‌شود، فوتون‌های خارج شده میتوانند، بسته به سرعت حرکت الکترون‌ها و مقدار سرعت وارد شده بر آنها، طیف گسترده‌ای از انرژی داشته باشند. توزیع انرژی فوتون‌ها با توجه به این روند، طیف پیوسته نام دارد و با نمودار منحنی صاف نشان داده می‌شود.

در مقابل، اگر الکترون در حال چرخش به دور هسته‌ی اتم خنثی یا باردار (یون) باشد، طیف آن رشته‌ای از قله‌های تیز یا خط است. دلیل این اتفاق این است که مدار‌های الکترون‌ها در اتم طبق قوانین تئوری کوانتم به دقت تنظیم شده است. این مدار‌ها یا به طور دقیق‌تر حالت‌هایی از انرژی با مقدار انرژی خاصی از یکدیگر جدا شده‌اند درست مانند پله‌ها که با ارتفاع خاصی از هم جدا شده‌اند. همانطور که نمی‌توانید به مکانی میان هر پله بروید، الکترون درون اتم هم نمی‌تواند به موقعیتی میان حالت‌های انرژی برود. اتم هر عنصر مانند اکسیژن، کربن و...، مجموعه‌ای از حالت‌‌های انرژی منحصر بفرد خود را دارند.

معمولا الکترون‌های درون اتم‌ها در پایین‌ترین حالت انرژی ،در پایین پله‌ها ،قرار دارند. اما اگر اتم براثر برخورد با یک الکترون آزاد، اتمی دیگر یا فوتون برانگیخته شده باشد، پایین‌ ترین حالت انرژی خالی می‌ماند. یکی از الکترون‌های درحال چرخش به سرعت به این حالت پایینی می‌پرد و انرژی خود را به شکل فوتون انرژی خاصی رها می‌کند. این فوتون‌ها صعودی در خط انتشار طیف ایجاد می‌کنند. گاز گرمی که از اتم‌ها‌ی بسیاری تشکیل شده، طیفی تشکیل شده از خطوط نشر بسیاری، به دلیل عناصر متفاوتی که در گاز حاضر هستند بیرون می‌دهد. 

 

روند مخالف نیز می‌تواند رخ بدهد. اگر رشته‌ای از پروتون‌ها گاز را برانگیخته ‌کند، آن فوتون‌ها که انرژی‌شان با سطوح انرژی در یک اتم، معادل یک پله، مطابقت دارد به‌وسیله‌ی اتم جذب می‌شوند. این روند موجب بالا رفتن یک سری از خطوط جذب گاز می‌شود.
تحقیقات دقیق درباره‌ی انرژی فوتون‌های منتشر یا جذب شده به‌وسیله‌ی اتم یک عنصر خاص، طرحی از حالت‌های انرژی آن اتم ارائه می‌دهد. با دانستن این طرح یا طیف انرژی، ستاره‌شناسان می‌توانند در تابش ستارگان و گاز به دنبال آن بوده و مقدار هر عامل حاضر را تعیین کنند. با این روش، ستاره‌شناسان مشخص کرده‌اند که ستارگان عموما از هیدروژن همراه با مخلوطی از هلیوم و مقدار کمی از عناصر سنگین‌تر همچون کربن، نیتروژن، اکسیژن و غیره تشکیل شده اند.
اشعه‌‌ی ایکس فلورسنس اتم‌ها هنگامی منتشر می‌شود که ذره‌ای پرانرژی یا اشعه‌‌ی ایکس، الکترونی را از درونی‌ترون سطح انرژی یک اتم آزاد کرده و اتمی ناپایدار تولید می‌کند. بلافاصله الکترونی از سطح انرژی بیرونی به حالت انرژی پایین‌تر می‌پرد که با انتشار اشعه‌‌ی ایکس‌ای با انرژی متفاوت از انرژی مخصوص اتم همراه است. در اطراف چاله‌‌های سیاه این اتفاق هنگامی رخ می‌دهد که اشعه‌‌‌های ایکس پرانرژی که به‌وسیله‌ی گاز گرم در نزدیکی چاله‌ی سیاه تولید شده‌اند با اتم‌های آهن در گاز سرد‌تر و غبار در مجاورت خود برخورد کنند.

 

 فلورسنس

روند دیگری برای تولید خطوط نشر تبادل بار است. یون باردار، برای مثال یون کربن یا یون اکسیژن، با اتم یا ملکول خنثی برخورد می‌کند و یکی از الکترون‌های آن را می‌گیرد. وقتی الکترون گرفته شده به تراز انرژی پایین‌تری سقوط کند، فوتونی منتشر می‌شود. این فرایند " تبادل بار" نام دارد، زیرا الکترون بین اتم خنثی و یون تبادل می‌شود. پس از چنین برخورد‌هایی، چنانکه الکترون‌های جذب شده به مدار‌های کوچکتر وارد می‌شوند، اشعه‌‌‌های ایکس منتشر می‌شوند. تبادل بار به ویژه برای ستاره‌های دنباله‌دار اهمیت دارد، جایی که یون‌های باد خورشیدی با اتم‌های خنثی موجود در جو دنباله دار‌ها برخورد می‌کند.

 

تبادل بار


این تمام داستان نیست. فوتون‌های اشعه‌ی ایکس میتوانند در وضعیت متفاوتی نیز تولید شوند. وقتی فیزیکدان‌ها شتاب‌دهنده‌ها‌ی اولین ذره را به کار می‌انداختند، کشف کردند که الکترون‌ها می‌توانند بدون هیچ برخوردی فوتون تولید کنند. این فرایند به این دلیل امکان‌پذیر بود که میدان مغناطیسی در شتاب‌دهنده‌ها باعث شده بود تا الکترون‌ها به صورت مارپیچ‌های بزرگی به دورخطوط نیروی میدان مغناطیسی بچرخند.
در کیهان ذراتی مانند الکترون ها می توانند توسط میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به انرژی‌های بالا- نزدیک به سرعت نور – افزایش پیدا کنند. این ذرات با انرژی بالا می توانند فوتون‌های سنکروترون با طول موج های مختلف از رادیو تا اشعه ایکس و انرژی‌های اشعه‌ی گاما تولید کنند.

 

 

تابش سنکروترون

 

الکترون‌هایی که در میدان مغناطیسی حرکت می کنند فوتون پخش می کنند

تابش سنکروترون از منابع کیهانی، طیف یا توزیع فوتون همراه با انرژی متفاوتی دارد. این تابش  نسبت به طیف تابش گاز داغ، سقوط آرامتری همراه با انرژی دارد. وقتی تابش سنکروترون در بقایای ابرنواختر، جریان‌های کیهانی یا منابعی دیگر بررسی می‌شود اطلاعاتی در مورد الکترون‌های پر انرژی و میدان‌های مغناطیسی حاضر نشان می‌دهند.

 


تابش الکترومغناطیسی و طیف الکترومغناطیسی
کلمه‌ی نور معمولا افراد را به یاد رنگ‌های رنگین‌کمان و یا نور خورشید یا لامپ می‌اندازد. با این حال این نور تنها یک نوع از تابش الکترومغناطیسی است. تابش الکترومغناطیسی به صورت دامنه ای از انرژی‌ دریافت می‌شود که به طیف الکترومغناطیس شناخته شده است. این طیف شامل تابش‌هایی از جمله اشعه‌های  گاما، اشعه‌های ایکس، فرابنفش، مرئی، فروسرخ و رادیو می‌شود.
تابش الکترومغناطیس به شکل موج حرکت می‌کند، درست مثل امواج اقیانوس. انرژی تابش بستگی به فاصله‌ی میان قله‌های ( بلند‌ترین نقاط) موج‌ها یا طول موج دارد. در کل هرچه طول موج کوتاه‌تر باشد، انرژی تابش بیشتر است. طول موج اشعه‌ی گاما کوچکتر از ده تریلیونُم متر است که تقریبا به اندازه‌ی هسته‌ی اتم است. این یعنی اشعه‌ی گاما انرژی بسیار زیادی دارد.از سویی دیگر امواج رادیویی طول موجی در دامنه‌ی کمتر از یک سانتی‌متر تا بزرگتر از صد متر( بزرگتر از اندازه‌ی یک زمین فوتبال)  دارد. انرژی امواج رادیویی بسیار پایین‌تر از انرژی دیگر انواع تابش الکترومغناطیسی است. تنها نور قابل تشخیص به‌وسیله‌ی چشم انسان، نور مرئی است که طول‌ موجی به اندازه‌ی سلول باکتری داشته و انرژی آن چیزی بین انرژی امواج رادیویی و اشعه‌ی گاما است.

 

مقاله فوق ترجمه شده از سایت http://chandra.harvard.edu/xray_astro/xrays.html می باشد.

 

ارسال نظر
عکس خوانده نمی شود