Röntgensäteily

Röntgensäteily on sähkömagneettisen säteilyn laji. Sen aallonpituus on noin 0,01–10 nanometriä; se on paljon lyhytaaltoisempaa kuin näkyvä valo. Röntgensäteilylle on ominaista sen suuri läpäisykyky: se kulkee monien sellaistenkin kiinteiden aineiden läpi, jotka näkyvälle valolle ovat täysin läpi­kulkemattomia. Röntgensäteilyksi luetaan lyhytaaltoinen säteily, joka syntyy atomiytimen ympärillä olevalla elektronikuorella viritystilojen purkautumisesta tai elektronien jarrutussäteilynä. Ytimessä syntyvää lyhytaaltoista säteilyä kutsutaan puolestaan gammasäteilyksi.

Wilhelm C. Röntgen löytää röntgensäteilyn

Saksalainen Wilhelm Röntgen teki vuonna 1895 tutkimuksia katodisädeputkella selvittääkseen, mitä katodista lähtevä putken läpi virtaava säteily oikein on. Yhtäkkiä hän huomasi, että jotkut koelaitteiston läheisyydessä olevat mineraalinäytteet alkoivat hohtaa aavemaista valoa. Röntgen luuli ”paholaisen päässeen irti”, mutta pian kuitenkin huomasi valon syntyvän vain koelaitteiston ollessa päällä. Siitä hän päätteli, että koelaitteisto tuotti entuudestaan tuntematonta säteilylajia. Röntgen antoi tälle uudelle säteilylajille nimen X-säteily, jota yhä käytetään joissain kielissä. Suomessa ja monissa muissa kielissä siitä käytetään tavallisimmin keksijänsä mukaan nimitystä röntgensäteily. Lisäkokeet paljastivat, että tämä X-säteily tunkeutui paperin, puun, käden ja ohuen metallikalvon läpi. Säteily myös jätti jälkiä valokuvausfilmiin.
Röntgen ymmärsi keksintönsä lääketieteellisen merkityksen ja tie tutkimuksesta käytännön sovellutuksiin oli nopea. Suomeen, Helsingin Kirurgiseen sairaalaan, hankittiin ensimmäinen röntgenlaite jo vuonna 1897 eli kaksi vuotta ensimmäisten kokeiden jälkeen. Röntgen sai puolestaan ensimmäisen fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1901.

Röntgendiffraktio keksitään

Koska röntgensäteilyn aallonpituus on samaa luokkaa kuin atomien läpimitta, kiinteiden aineiden kiderakenne aiheuttaa röntgensäteilyn siihen osuessa Braggin lain mukaisia diffraktioilmiöitä. Max von Laue esitti idean röntgendiffraktion mahdollisesta toimivuudesta hiihtoretkellä muutamalle kollegalleen, jotka päättivät epäilyksistään huolimatta kokeilla sen toimivuutta. Onnistuneen yrityksen jälkeen Laue johti ilmiölle matemaattisen esitystavan. Hän sai Nobelin fysiikanpalkinnon tästä merkittävästä keksinnöstä vuonna 1914, vain kaksi vuotta tutkimuksen julkaisemisen jälkeen. Von Lauen löydöstä lähtien röntgensäteilyllä on ollut keskeinen osa kiinteiden aineiden kiderakenteen tutkimuksessa.

Comptonin ilmiö johtaa kvanttimekaniikan nousuun

Röntgensäteilyllä oli myös merkittävä rooli 1900-luvun alussa, kun klassinen fysiikka osoittautui riittämättömäksi joidenkin ilmiöiden selittäjänä. Arthur H. Comptonin röntgensäteillä vuonna 1922 havaitsemassa ilmiössä sironneiden säteiden energia muuttuu. Tämä ilmiö on selitettävissä vain valon hiukkaskuvassa ja on näin kiistaton todiste sähkömagneettisen säteilyn dualistisesta aalto-hiukkasluonteesta. Comptonin sironnalla saadaan myös tietoa elektronien nopeusjakaumasta aineessa. Vuosisadan alkupuolen kokeet osoittivat, etteivät muun muassa metallien johde-elektronit noudata klassisen fysiikan mukaista Maxwellin–Boltzmannin jakaumaa vaan kvanttimekaanista Fermin–Diracin jakaumaa.

Kuvantaminen säilyy tärkeimpänä sovellutuksena

Nykyään röntgensäteilyä käytetään muun muassa lääketieteessä, läpivalaisussa turvatarkastuksissa lentoasemilla ja raja-asemilla, erilaisten rakenteiden mikrohalkeamien etsinnässä ja aineen atomitason rakenteen tutkimuksessa. Nykyään säteilyherkkä staattisen kuvan säilövä kuvafilmi on korvattu elektronisella ilmaisimella ja kuva tallennetaan ja käsitellään digitaalisesti. Digitaaliset ilmaisimet ovat herkempiä kuin filmit, joten tutkimuksissa käytettyjä säteilyannoksia on voitu vähentää huomattavasti. Filmien jäädessä pois ei myöskään tarvita kehitys- ja kiinnitekemikaaleja, jotka ovat ympäristölle haitallisia. Digitaalisten kuvien käyttöön saaminen on nopeampaa ja lisäksi niitä voidaan lähettää ja tallentaa helpommin kuin filmejä.

Läpäisykyky

Röntgensäteilyn suuri läpäisy­kyky johtuu sen pienestä aallon­pituudesta ja sitä vastaavasta kvantin suuresta energiasta. Koska sen energia on niin suuri, varsinkaan kevyimpien alkuaineiden atomit eivät yleensä pysty niitä absorboimaan. Raskaammissa aineissa absorptio sen sijaan tulee voimakkaammaksi.

Röntgensäteilyn lähteitä

Röntgensäteilyä syntyy muun muassa nopeiden elektronien törmätessä metalliin. Jos niiden liike-energia on tarpeeksi suuri, ne voivat irrottaa elektroneja metalli­atomista joltakin lähellä ydintä olevalta orbitaalilta, jolloin syntyneeseen aukkoon siirtyy elektroni joltakin korkeammalta orbitaalilta. Tällöin syntyy säteilyä, jonka taajuus saadaan jakamalla orbitaalien energia­erotus Planckin vakiolla. Jos tämä energia­ero ja sitä vastaava taajuus on tarpeeksi suuri, syntyvä säteily on röntgen­säteilyä. Tällä tavalla syntynyttä säteilyä sanotaan ominaissäteilyksi, sillä siinä esiintyy vain tiettyjä, kullekin alkuaineelle ominaisia taajuuksia ja aallon­pituuksia. Sen lisäksi samalla syntyy jarrutussäteilyä, sillä ydin jarruttaa sen lähelle saapuneen elektronin liikettä, jolloin sähkö­dynamiikan yhtälöiden mukaan kiihtyvässä liikkeessä oleva sähköisesti varattu hiukkanen lähettää sähkö­magneettista säteilyä. Toisin kuin ominais­säteilyn, jarrutus­säteilyn spektri on jatkuva, mutta sen aallon­pituudella on alaraja, joka vastaa elektronien koko liike-energiaa.

Röntgenputki

Röntgenputki on historiallisesti ensimmäinen tunnettu tapa synnyttää röntgensäteilyä. Putkessa olevasta hehkulangasta irtoaa elektroneja, jotka kiihdytetään putkessa olevassa sähkökentässä. Niiden törmätessä putken keskellä olevaan metallilevyyn syntyy edellä kuvatulla tavalla sekä ominais- että jarrutussäteilyä.

Synkrotronilähteet

Synkrotronilähteet ovat nykyaikainen tapa tuottaa röntgensäteilyä muun muassa materiaalifysiikan tutkimuksen tarpeisiin. Synkrotroni on varta vasten säteilyn tuottamiseen tarkoitettu hiukkaskiihdytin, jossa säteily syntyy, kun lähes valonnopeudella liikkuvan varatun hiukkassuihkun rataa kaareutetaan magneettikenttien avulla. Näin syntynyt, niin kutsuttu synkrotronisäteily soveltuu fysikaalisilta ominaisuuksiltaan monin verroin perinteistä röntgenputkesta saatavaa säteilyä paremmin tutkimuskäyttöön. Synkrotronisäteilyn suuri intensiteetti, valittavissa oleva polarisaatio ja säteilyn intensiteetin pulssittunut aikarakenne mahdollistavat joukon uusia kokeita.

Vapaaelektronilaserit

Vapaaelektronilaser on toimintaperiaatteeltaan läheistä sukua synkrotronille ja edistyksellisintä röntgensäteilyä tuottavaa teknologiaa. Lineaarikiihdyttimellä kiihdytetty elektronipulssi kulkee vapaaelektronilaserissa pitkän (~100 m) jaksollisen magneettirakenteen läpi, jolloin tuloksena on erittäin voimakkaita röntgenpulsseja. Vapaaelektronilaser tuottaa sekunnissa suunnilleen yhtä paljon fotoneja kuin synkrotroni, mutta pulssien lyhyen keston vuoksi hetkellinen fotonivuo voi olla useita kertaluokkia suurempi kuin synkrotronin vastaava. Analogisesti optisten lasereiden kanssa, vapaaelektronilaserit mahdollistavat monifotoni-ilmiöiden tutkimuksen ja sovelluksen röntgenalueella. Mittakaavaltaan vapaaelektronilaser on massiivinen, usein kilometrien mittainen laite. Vuonna 2015 maailmassa on toiminnassa muutama röntgensäteilyä tuottava vapaaelektronilaser, mutta uusia on rakenteilla.