پرتو ایکس

پرتو ایکس (به انگلیسی: X-ray) یا پرتو رونتگن (Röntgen radation)، نوعی از تابش الکترومغناطیسی با طول موج حدود ۰/۰۱ تا ۱۰ نانومتر معادل با ۳۰ پِتاهرتز تا ۳۰ اِگزاهرتز (۱۶ ۱۰×۳ تا ۱۹ ۱۰×۳ هرتز) و انرژی بین ۱۰۰ الکترون‌ولت تا ۱۰۰ کیلوالکترون‌ولت است. طول موج پرتو ایکس از طول موج پرتو فرابنفش پایین‌تر و از طول موج پرتو گاما بالاتر است. نام دیگر اشعه ایکس، پرتو رونتگن است، که برگرفته از نام ویلهلم رونتگن، کاشف آن است. علت نام‌گذاری پرتو ایکس از طرف ویلهلم رونتگن نشان دادن کشف یک نوع پرتو ناشناخته بود، است.
به پرتو ایکس با فوتون‌های پرانرژی‌تر (بالای ۵ یا ۱۰ کیلو الکترون‌ولت و با طول موج ۰٫۱ تا ۰٫۲ نانومتر) پرتو ایکس سخت و پرتوهای با انرژی پایین‌تر را پرتو ایکس نرم می‌گویند. به دلیل توان نفوذ بالای پرتو ایکس سخت، از آن برای تصویربرداری از داخل اجسام، مانند پرتونگاری از اعضای بدن و همچنین قسمت امنیت فرودگاه‌ها و به عنوان یکی از روش‌های تست غیرمخرب در تشخیص نقص‌های موجود در اشیا (مثلاً در لوله‌ها و …) استفاده می‌شود.
از عبارت «پرتو ایکس» علاوه بر روش پرتو نگاری، برای عکس‌های پرتو نگاری شده به این روش نیز اطلاق می‌شود. به دلیل اینکه طول موج پرتو ایکس سخت برابر اندازه اتم‌ها است، از کریستالوگرافی اشعه ایکس برای تعیین ساختار کریستالی استفاده می‌شود. در مقابل پرتو ایکس نرم به آسانی در هوا جذب می‌شود؛ عمق نفوذ پرتو ایکس با قدرت ۶۰ الکترون‌ولت در آب کمتر از یک میکرومتر است.
هیچ توافق جامعی برای تمایز بین پرتوهای ایکس و گاما وجود ندارد. یکی از روش‌های تعیین تمایز بین این دو پرتو، بررسی منبع آن است؛ پرتو ایکس از الکترونها و پرتو گاما از هسته اتم ساطع می‌شود. این شیوه از تعریف اشکالات فراوانی دارد؛ در فرایندهای دیگر نیز فوتون‌هایی با انرژی‌های بالا تولید می‌گردند، یا اینکه روش‌های تولیدی وجود دارد که شناخته شده نیستند. تمایز دیگر پرتو گاما و پرتو ایکس، بر اساس طول موج است، پرتوهای دارای طول موج‌های پایین، برای مثال ۰٫۱ آنگستروم، در دسته‌بندی پرتو گاما قرار می‌گیرند. با این معیار درصورتی‌که فقط طول موج مشخص باشد می‌توان فوتون را در یک دسته‌بندی مشخص قرار داد. هرچند برخی روش‌های اندازه‌گیری قادر به تمیز دادن طول موج‌های مختلف نیستند، اغلب این دو تعریف با هم منطبقند چراکه پرتوهای الکترومغناطیس ساطع شده از تیوب‌های پرتو ایکس دارای طول موج بلندتر و انرژی فوتون پایین‌تری نسبت به پرتوهای ساطع شده از هسته‌های پرتوزا هستند. گاهی اوقات، به غیر از این دو تعریف، در زمینه‌ای خاص، تعاریفی بر اساس سوابق تاریخی، تکنیک‌های اندازه‌گیری (تشخیص) یا نوع مصرف آن کاربرد پیدا می‌کنند. با این حال، پرتو گامای مورد استفاده در امور پزشکی و صنعتی، به عنوان مثال برای پرتو درمانی، دارای طول موج ۶ تا ۲۰ مگاالکترون‌ولت است، که می‌توان آن را در دسته پرتو ایکس نیز قرار داد.

خواص

فوتون‌های پرتو ایکس دارای انرژی لازم برای یونیزه کردن اتم‌ها و شکستن پیوند اتمی هستند. این خاصیت پرتو ایکس را در طبقه‌بندی پرتوهای یونیزه‌کننده قرار می‌دهد، و به همین دلیل برای بافت‌های زنده مضر است. قرار گرفتن در معرض دوز تابش در مقادیر بالا در یک دوره زمانی کم باعث ایجاد بیماریهای حاصل از تشعشع می‌شود، و در عین حال قرار گرفتن در معرض دوز تابش در مقادیر پایین ریسک ابتلا به سرطان‌های ناشی از تشعشع را بالا می‌برد. در تصویربرداری پزشکی این افزایش خطر ابتلا به سرطان در مقابل فواید استفاده از این روش برای تشخیص پزشکی، قابل چشم پوشی است. از قابلیت یونیزه کردن اشعه ایکس می‌توان در درمان سرطان استفاده کرد، که در این روش پرتو درمانی از پرتوایکس برای کشتن سلول‌های بدخیم سرطانی استفاده می‌شود. همچنین ازطیف‌سنجی پرتو ایکس برای تعیین خصوصیات مواد استفاده می‌شود.
پرتو ایکس سخت می‌تواند بدون اینکه جذب یا پراکنده شود از اشیاء ضخیم عبور کند. به همین دلیل از پرتو ایکس سخت برای تصویربرداری از داخل اشیاء دارند استفاده می‌شود. کاربردهای دیگر آن عبارتند از رادیوگرافی پزشکی و اسکنرهای امنیتی فرودگاه‌ها. در عین حال از تکنیک مشابه در صنعت (برای مثال رادیوگرافی صنعتی و سی تی اسکن صنعتی) و همچنین تحقیقات (برای مثال سی تی حیوانات کوچک) استفاده می‌شود. عمق نفوذ پرتو ایکس با تغییر فرکانس آن تغییر می‌کند. این موضوع تنظیم انرژی فوتون برای کاربردهای مختلف را امکان‌پذیر می‌کند.

واکنش با مواد

تأثیر پرتو ایکس بر مواد از سه راه صورت می‌گیرد؛ اثر فوتوالکتریک، اثر کامپتون و پراکندگی رایلی. شدت هر یک از این تأثیرات بستگی به انرژی پرتو ایکس دارد. به دلیل اینکه انرژی فوتون‌های پرتو ایکس از انرژی پیوندهای شیمیایی بالاتر است، خواص شیمایی ماده در آن اثری ندارد. مکانیسم واکنشی غالب در رژیم پرتو ایکس نرم و پرتو ایکس سخت با انرژی پایین، اثر فوتوالکتریک است. برای رده انرژی‌های بالا مکانیسم غالب، مکانیسم اثر کامپتون است.

جذب فوتوالکتریک

احتمال جذب فوتوالکتریک در واحد جرم با میزان 'Z³/E³ متناسب است، که در آن Z عدد اتمی و E انرژی فوتون هستند. این قانون در لایه درونی انرژی پیوند الکترون‌ها، جاییکه احتمال واکنشها دچار تغییرات ناگهانی می‌شوند، معتبر نیست، به همین خاطر به آن حد جذب گفته می‌شود. هر حال، رویه کلی غالب برای فوتون‌های کم انرژی و عددهای اتمی بالا، ضریب جذب بالا و عمق نفوذ کم است. در مورد بافت‌های نرم تا محدوده انرژی فوتون 26eV پدیده غالب اثر فوتوالکتریک است ولی از این محدوده به بالا اثر کامپتون فعال می‌شود. برای عناصر با عدد اتمی بالاتر این محدوده بالاتر می‌رود. میزان بالای کلسیم در استخوانها و آرایش چگال آن باعث می‌شود، استخوانها در تصاویر رادیوگرافی به وضوح نمایان گردند.
فوتون فتوالکتریک انتقال همه انرژی خود را به الکترونی که با آن واکنش می‌دهد، منتقل می‌کند، این امر باعث یونیزاسیون اتمی که الکترون به آن متعلق است می‌شود و یک فوتو الکترون ایجاد می‌کند که تمایل زیادی به یونیزه کردن اتم‌های در سر راه خود دارد. یک الکترون بیرونی جای خالی الکترون را پر می‌کند و خواص فوتون یا الکترون اوژه را ایجاد می‌کند. از این آثار می‌توان تعیین نوع عناصر توسط روش‌های طیف‌سنجی پرتو ایکس یا طیف‌سنجی الکترون اوژه استفاده نمود.

اثر کامپتون

اثر کامپتون مکانیسم واکنش غالب بین پرتو ایکس و بافت‌های نرم در تصویر برداری پزشکی است. پراکندگی کامپتون، پراکندگی ناکشسان یک فوتون توسط یک ذره بادار و معمولاً الکترون است و باعث کاهش انرژی (کاهش طول موج) فوتون (که ممکن است یک پرتو ایکس یا پرتو گاما باشد) می‌شود که به اثر کامپتون مشهور است. قسمتی از انرژی فوتون به الکترون‌های در حال پراکنش منتقل می‌شود، در نتیجه اتم‌ها را یونیزه کرده و باعث افزایش طول موج پرتو ایکس می‌شود. فوتون پراکنش شده در هر مسیری می‌تواند حرکت کند ولی مسیر اولیه آن مخصوصاً در مورد پرتوهای ایکس با انرژی بالا محتمل تر است. احتمال زوایای مختلف پراکنش توسط فرمول کلاین - نیشینا ( Klein–Nishina formula) محاسبه می‌شود. انرژی انتقالی مستقیماً از زاویه پراکنش از قانون پایستگی انرژی و تکانه بدست می‌آید.

پراکندگی رایلی

پراکندگی رایلی مکانیسم پراکنش الاستیک غالب در رژیم پرتو ایکس است. پراکندگی‌های پیش رو غیر الاستیک باعث افزایش ضریب شکست می‌گردند، که برای پرتو ایکس پایین‌تر از ۱ است.

تولید

هر زمان که ذرات باردار (الکترون‌ها یا یون) با انرژی کافی به مواد برخورد نمایند، اشعه ایکس تولید می‌شوند.

تولید به روش یونهای پرسرعت مثبت

پرتو ایکس را می‌توان با استفاده از پروتون‌ها پر سرعت یا یون‌های مثبت دیگر ایجاد نمود. از پرتو ایکس حاصل از تحریک پروتون یا پرتو ایکس حاصل از ذرات تحریک شده به‌طور گسترده به عنوان یک روش تحلیل مورد استفاده قرار می‌گیرند. در انرژی‌های بالا، [سطح مقطع] تولید متناسب است با Z₁²Z₂⁻⁴ که در آن Z₁ عدد اتمی یون و Z₂ [عدد اتمی] هدف است.

تاریخچه

پرتو ایکس در سال ۱۸۹۵ توسط ویلهلم رونتگن، فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن، پرتو ایکس نامیده شد. یعنی با قرار دادن آن در میدان‌های مغناطیس و الکتریکی به هیچ وجه منحرف نمی‌شود. این پرتو قدرت نفوذ بسیاری دارد و تقریباً از هر چیزی به جز استخوان و فلز (اوربیتال d) می‌گذرد. اولین عکس پرتو ایکس از دست همسر رونتگن گرفته شد که انگشتر او به خوبی در عکس مشخص است.
این گمان که پرتوهای ایکس، امواج الکترومغناطیس با طول موج بسیار کوتاه هستند، به کمک یک آزمایش پراش دوگانه که در سال ۱۹۰۶ توسط سی.گ. بارکلا انجام گرفت، تأیید شد.
اثبات قطعی ماهیت موجی پرتو ایکس در سال ۱۹۱۲ به وسیلهٔ فون لاوه ارائه شد.
وی اولین جایزه فیزیک نوبل را در سال ۱۹۰۱ گرفت.

لامپ‌های گازی

این لامپ‌ها همانند لامپ پرتو ایکس اولیه‌ای هستند که رونتگن ساخته بود و امروزه چندان کاربردی ندارند. در این لامپ‌ها الکترون از یونش مقدار اندکی گاز موجود در لامپ تقریباً تخلیه شده به وجود می‌آید.

ایمنی

پرتو ایکس برای انسان بسیار خطرناک است و می‌تواند آسیب‌های زیستی قابل توجهی را پدید آورد. این آسیب‌ها در انسان شامل سوختگی، بیماری ناشی از دریافت تابش بیش از حد و اثرات ژنتیکی هستند.

پرتو یون‌ساز

پرتو با انرژی کافی می‌تواند اتم‌ها را یونیزه کند. از آنجا که یاخته از اتم ساخته شده یونیزه شدن می‌تواند سبب سرطان شود. هر یاخته (سلول) انسان از هزاران میلیون اتم ساخته شده و احتمال ابتلا به سرطان از راه تابش به میزان تابش و میزان حساسیت فرد بستگی دارد.
ذرات آلفا، ذرات بتا، گاما و پرتوهای ایکس و نوترون همگی ممکن است که با شتاب دادن، انرژی کافی برای یونش اتم‌ها را پدیدآورند.

پرتو آلفا

ذرات آلفا (α) معمولاً در هنگام واپاشی هسته‌های بزرگ منتشر می‌شوند. هر ذرهٔ آلفا (همانند هسته هلیوم،He²⁺) دربرگیرنده دو نوترون و دو پروتون است.

پرتو بتا (+/-)

هر ذره بتا متشکل از ۱عدد الکترون است.