Rentgenstari

Rentgenlampa ar nekustīgu anodu: * K — katods, * A — anods jeb antikatods, * X — rentgenstari * - — elektroni * C — siltuma aizvadītājs * W_in — ūdens pievads * W_out — ūdens izvads * U_h — katoda spriegums * U_a — paātrinājuma spriegums

Rentgenstari ir elektromagnētiskie viļņi ar viļņa garumu, kas mazāks nekā ultravioletajam starojumam, bet lielāks nekā gamma stariem. Tomēr cieto rentgenstaru viļņa garumi var būt līdzīgi dažu gamma staru viļņa garumiem. Šādos gadījumos par gamma stariem sauc to starojumu, kas rodas radioaktīvajā sabrukšanā, bet starojumu, kuru var iegūt no elementārdaļiņu paātrinātāja — par rentgenstariem.

Rentgenstarus 1895. gadā atklāja Vilhelms Rentgens, kurš tiem ieteica nosaukumu X-stari, ko lieto daudzās valodās, tostarp angļu valodā (angļu: X-rays).

Īpašības

Rentgenstaru viļņa garums ir robežās no 10 nm līdz 100 pm (atbilstošās frekvences ir 30 PHz līdz 3 EHz). Tos sauc par mīkstajiem rentgenstariem un tos var iegūt ar rentgenlampām. Rentgenstarus ar viļņa garumu zem 100 pm sauc par cietajiem rentgenstariem, un to iegūšanai ir nepieciešams elementārdaļiņu paātrinātājs. To viļņu garumi pārklājas ar gamma staru viļņu garumiem.

Rentgenstaru laušanas koeficients pat visblīvākajās vielās ir tuvs 1, tāpēc to virzienu praktiski nav iespējams izmainīt ar prizmām un lēcām. Rentgenstariem krītot mazā leņķī uz gludi pulētas virsmas, ir iespējama atstarošanās, uz to bāzējas gandrīz visa rentgenstaru optika.

Mijiedarbībā ar vielu rentgenstari daļēji absorbējas un izkliedējas. Vielas rentgenstaru absorbcijas koeficients $\mu$ ir atkarīgs no starojuma viļņa garuma un vielas atomu (vielu veidojošo ķīmisko elementu) atomskaitļa (tas palielinās, palielinoties abiem minētajiem parametriem). Rentgenstarus ar viļņa garumu virs 300 pm ievērojami absorbē gaiss.

Rentgenstarojums, tāpat kā jebkura veida elektromagnētiskais starojums, ir kvantu plūsma.

Rentgenstarojums ir viens no jonizējošā starojuma veidiem, tas izraisa izmaiņas šūnās (jonizē), tāpēc cilvēkiem no tā ir jāaizsargājas, nedrīkst arī pārmērīgi izmantot medicīniskajās pārbaudēs. Aizsardzībai pret to izmanto svina plāksnes.

Ieguve

Rentgenstari veidojas, ātrām lādētām daļiņām bremzējoties vielā vai elektromagnētiskajā laukā. Parasti šīs daļiņas ir elektroni. Parasti elektrons zaudē savu enerģiju, saduroties ar vairākiem atomiem pēc kārtas, katrā šādā sadursmē zaudējot daļu no kinētiskās enerģijas $E_{k}$. Līdz ar to rodas vairāki kvanti ar atšķirīgu viļņa garumu $\lambda$ un frekvenci $\nu$, un līdz ar to kvanta enerģiju $E$. Šādam rentgenstarojumam ir nepārtraukts spektrs ("baltais" rentgenstarojums). Starojuma spektrālo sadalījumu un intensitāti nosaka galvenokārt elektronu ātrums un intensitāte, kas savukārt ir atkarīgi no lampas anodsprieguma un strāvas. Līdzīgā veidā neliels daudzums rentgenstaru veidojas kineskopos (elektronu kūlim ietriecoties ekrānā), tāpēc ekrāna daļu izgatavo no bieza svina stikla (lai absorbētu rentgenstarus). Rentgenstarojums var veidoties jebkurā elektronu lampā ar pietiekoši lielu anodspriegumu un sprieguma kritumu uz lampu (iekšējo pretestību). Elektronu lampas parasti konstruē, lai samazinātu šādu rentgenstarojuma veidošanos, taču ne vienmēr to ir iespējams pilnībā novērst (piemēram, lielas jaudas raidītāju lampām). Medicīnā un defektoskopijā parasti lieto balto starojumu.

Ārējie elektroni var izsist vienu vai vairākus elektronus no anoda materiāla atomu iekšējām orbītām, jonizējot to atomus. Elektronu pārejās no jonizēta atoma augstākiem enerģijas līmeņiem uz zemākiem, veidojas raksturīgais rentgenstarojums, kas sastāv no atsevišķām līnijām, kuru viļņu garumus nosaka tikai rentgenlampas anoda materiāls. Palielinot anodspriegumu, palielinās arī raksturīgā starojuma intensitāte, taču tā palielinās ievērojami mazāk nekā baltā starojuma intensitāte. Rentgendifraktometrijā parasti lieto raksturīgo starojumu.

Rentgenstari pastāv dabā, un tos rada Visuma ķermeņi, piemēram, līdzās redzamajai gaismai, ultravioletajam un infrasarkanajam starojumam Saule izstaro rentgenstarus, kurus absorbē Zemes atmosfēra.

Detektēšana

Zemas intensitātes rentgenstarojums nav redzams ar aci. Intensīvs rentgenstarojums var būt redzams, ja acs ir adaptējusies tumsai, taču rentgenstari ir kaitīgi veselībai, tāpēc mūsdienās šo parādību neviens sīkāk nav pētījis. Nav zināms, vai rentgenstari iedarbojas tieši uz redzes šūnām vai arī rada acs ābola fosforescenci.

Rentgenstari izraisa fotomateriālu nomelnējumu. Vēsturiski tā ir bijusi ļoti plaši lietota detektēšanas metode. Šādiem mērķiem parasti lieto fotoplēvi, jo to var saliekt. Dažos gadījumos ir lietotas arī fotoplates. Fotomateriālu nomelnējums ir atkarīgs no kopējā absorbētā starojuma daudzuma, tāpēc te var iztikt ar mazāk stabiliem rentgenstarojuma avotiem (zemākas prasības rentgenlampas augstsprieguma barošanas blokam).

Rentgenstarus var detektēt arī ar radioaktīvā starojuma detektoriem. Sākotnēji šādiem mērķiem lietoja Geigera skaitītāju. Mūsdienās vairāk lieto scintilācijas skaitītājus, jo tie ir jutīgāki. Radiācijas detektori uztver starojumu relatīvi nelielā telpas tilpumā. Lai iegūtu informāciju par starojuma sadalījumu telpā, tos nākas pārvietot.

Izmantošana

Rentgena uzņēmums, ko uzņēmis Vilhelms Rentgens 1896. gadā, izmantojot savas sievas Annas Bertas Ludvigas roku

Rentgenstarus lieto medicīnā, izmantojot īpašību, ka dažāda blīvuma audi rentgenstarus absorbē atšķirīgi. Veicot vienkāršu rentgenuzņēmumu, var redzēt, piemēram, vai nav lauzti kauli. Veicot rentgenstaru tomogrāfiju, var apskatīt iekšējos orgānus, piemēram, lai atklātu vēža šūnas, — uz ķermeni dažādos leņķos tiek raidīti vairāki rentgenstari, to krustošanās vietu eksponē rentgenstariem jutīgas filmas vai ekrāna; pārbīdot rentgenstarus plaknē, iegūst dažādu audu slāņu attēlus. Ja šo procesu vada ar datoru, iegūtos attēlus sauc par datortomogrāfiju, un fotofilmas vietā tiek izmantots no šūnu matricas sastāvošs elektronisks rentgenstaru uztvērējs, kurš nogādā informāciju par staru absorbciju datorprogrammai, kura izveido attēlu. Vienlaikus ar to pārbīdot ķermeni, iegūst trīsdimensionālu informācijas šūnu kubu.

Rentgenstarojuma medicīniskajai izmantošanai piemīt tāds trūkums, ka ar to var labi saskatīt audus, kuriem blīvums ir lielāks nekā apkārtējai videi, taču ar to nevar uztvert ūdeņradi saturošās vielas. (Šāds trūkums piemīt arī ultraskaņas tomogrāfijai, bet tas ir atrisināts magnētiskās rezonanses tomogrāfijā.)

Līdzīgā veidā rentgenstarus lieto arī nesagraujošām testēšanas metodēm konstrukciju uzbūves noteikšanai (defektoskopija). Rentgenstarus lieto arī rentgendifraktometrijā, lai noteiktu kristālisku vielu struktūru. Iegūstot rentgenogrammu un izmērot attālumus un leņķus starp tajā redzamajiem difrakcijas maksimumiem, nosaka kristālrežģa uzbūvi.

Formulas

$E=h\nu$

$E$ ir rentgenkvanta enerģija (J), $h$ ir Planka konstante, $\nu$ ir rentgenstaru frekvence (Hz).

${\displaystyle E_{k}}={\frac {mv^{2}}{2}}=eU$

$E_{k}$ ir elektrona kinētiskā enerģija (J), $m$ ir elektrona masa (kg), $v$ ir elektrona ātrums (m/s), $e$ ir elektrona lādiņš (C), $U$ ir spriegums starp rentgenlampas elektrodiem (V).

$E_{max}=E_{k}$

$E_{max}$ ir rentgenlampā iegūtā rentgenkvanta maksimālā enerģija (J).

$\lambda _{min}={\frac {hc}{E_{k}}}$

$\lambda _{min}$ ir rentgenlampā iegūtā rentgenkvanta minimālais viļņa garums (m), $c$ ir gaismas ātrums.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Rentgenstari.

• Latvijas Nacionālās enciklopēdijas šķirklis
• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Enciklopēdijas Krugosvet raksts (krieviski)