Røntgenstråling

Røntgenstråling er elektromagnetisk stråling med typiske bølgelengder mellom 10 nm og 0,01 nm som er kortere enn for ultrafiolett lys. Det tilsvarer stråling av fotoner med energier mellom 0.1 keV og 100 keV. Mens røntgenstråling vanligvis blir skapt av elektroner, fremkommer den enda mer energetiske gammastråling oftest ved kjernereaksjoner og tilsvarer energier av størrelsesorden MeV. Begge er ioniserende stråling og kan være helsemessig skadelig.

Røntgens eget røntgenbilde av sin kones hånd med ring fra desember 1895.

Strålingen ble oppdaget 8. november 1895 av den tyske fysiker Wilhelm Conrad Röntgen ved Universitetet i Würzburg. Han ga den navnet X-Strahlen da den var av ukjent natur og han ikke ville ha sitt eget navn knyttet til den. Denne betegnelsen blir i noen land fremdeles brukt som på engelsk hvor den omtales som «X-rays». Røntgen ville ikke ta noen patenter på sin oppdagelse da han ville at den skulle komme hele menneskeheten til gode. Han mottok i 1901 den første Nobelprisen i fysikk, men døde likevel som en fattig mann etter børskrakket i 1923.

Oppdagelsen av røntgenstråling ble etter kort tid tatt i bruk til medisinsk diagnostikk, men representerte også et gjennombrudd for moderne naturvitenskap. Dette fulgte etter Max Laues oppdagelse av røntgendiffraksjon i 1912 som ved bruk av Braggs lov la grunnlaget for moderne strukturbestemmelse av alle mulige materialer. Omtrent samtidig ble røntgenstråling benyttet av Charles Barkla, Henry Moseley og andre til å utforske atomenes indre. I moderne tid er det blitt mulig å registrere slik stråling også fra verdensrommet. Dette utgjør nå et eget fagfelt røntgenastronomi som er viktig innen moderne astrofysikk.

Dannelse

Helt siden midten av 1800-tallet hadde man studert elektriske utladninger i spesielle glassrør som inneholdt forskjellige gasser under stadig lavere trykk. Disse undersøkelsene resulterte i oppdagelsen av katodestråler da de utgikk fra katoden og ble akselerert av et elektrisk felt mot den positive anoden i røret. Det var denne strålingen Røntgen var i ferd med å studere da han i november 1896 dekket utladningsrøret med mørk papp for å fjerne lys fra det. Men likevel registrerte han utslag på en fluorescerende skjerm flere meter unna. Dette fant han raskt ut skyldes dannelse av en ny type X-Strahlen i røret. Året etter viste den engelske fysiker J.J. Thomson at katodestrålene bestod av elektroner. Det var disse som skapte røntgenstrålingen ved deres kollisjoner med metallatomene i anoden.^[1]

Røntgenrør med katode K og anode A som produserer stråling X. Anoden er pålagt en spenning U_a og er avkjølt med vann som ledes til C.

Fremdeleles blir røntgenstråling hovedsakelig produsert i spesielle røntgenrør. Fra en glødetråd i en evakuert glassbeholder akselereres elektroner med høyspenning mot en anode. Til det benyttes høyspenninger typisk mellom 10 kV og 300 kV. Det er lufttomt inne i røret slik at elektronene ikke møter hindringer når de går fra den negative til den positive elektroden. De får dermed stor fart før de kolliderer med den positive anoden som er laget av et tungt metall. I kollisjonen får elektronene en kraftig oppbremsing, og de avgir energien sin som elektromagnetisk stråling, Dette omtales som bremsestråling og gir opphav til et kontinuerlig emisjonsspektrum.^[2]

Når denne strålingen beskrives som en strøm av fotoner, vil disse kunne ha en maksimal energi som er gitt ved at hele den kinetiske energien til elektronet går over til å skape ett enkelt foton. Det vil da ha en frekvens ν_max som er gitt ved ligningen ${\displaystyle h\nu _{max}=eV}$ der h er Plancks konstant, e er elektronets ladning og V  den elektriske spenningen mellom katode og anode i røret. Det tilsvarer en minimal bølgelengde

${\displaystyle \lambda _{min}={hc \over eV}={1.24 \over V({\text{keV}})}{\text{nm}}}$

for røntgenstrålingen. Den største delen vil være ved større bølgelengder og går da til slutt over i ultrafiolett lys.

Karakteristisk stråling

Røntgenspektrum med spisser som representerer karakteristisk stråling. Den viser at anodematerialet består av flere grunnstoff. Bølgelenden øker mot høyre.

De første årene etter oppdagelsen av røntgenstråling var det Charles Barkla som gjennomførte de meste detaljerte studier av strålingens egenskaper. I 1909 konstaterte han at den inneholdt to komponenter som ikke var direkte avhengig av energien til elektronene som skapte den. De fikk navnet K- og L-stråling. Da de var litt forskjellig fra element til element i anoden, ble de to komponentene omtalt som karakteristisk røntgenstråling.^[3]

Etter Laues oppdagelse av røntgendiffraksjon og etableringen av Braggs lov

${\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda }$

som forbinder bølgelengden λ til strålingen med dens spredningsvinkel θ  i en krystall med gitteravstand d, ble det mulig å måle bølgelengdene til denne karakteristiske strålingen. Det var grunnlaget for oppdagelsen av Moseleys lov i 1914. Den gjorde det klart at denne spesielle strålingen ikke skyldes nedbremsing av elektronet, men at det derimot slår ut et elektron i et metallatom i anoden. Dette «hullet» i elektronskyen omkring atomet blir så spontant fylt med et nytt elektron fra et høyere energinivå som betyr at et foton blir sendt ut ifølge Bohrs atommodell.^[2]

Det ble snart klart at hvert element har flere karakteristiske bølgelengder. De virker som et «fingeravtrykk» og kan brukers til å identifisere svært små mengder av ukjent materiale og utgjør grunnlaget for moderne røntgenspektroskopi. tillegg er slike veldefinerte bølgelengder av stor betydning for all strukturbestemmelse basert på von Laues lov som er ekvivalent med den til Bragg.

Absorpsjon

Allerede da Røntgen oppdaget sin stråling var det klart at et tynt lag med papp ikke stoppet dem. Men det viste at den kan trenge gjennom stoff som er ugjennomtrengelige for synlig lys, selv om intensiteten generelt vil bli redusert. Det skjer ved at strålingen vekselvirker med atomene i materialet og omtales som absorpsjon.

Kvantitativt beskrives denne reduksjonen av intensiteten ved Beer-Lamberts lov. Den har formen

${\displaystyle I(x)=I_{0}e^{-\mu x}}$

hvor x er den tilbakelagte veilengden og μ er absorpsjonskoeffisienten. Den er gitt ved produktet av materialets tetthet og spredningstverrsnittet for røntgenstråling på de atomer materialet inneholder. Da den har samme dimensjon som en invers lengde, blir ofte 1/μ omtalt som en «absorpsjonslengde».

Et foton i röntgenstrålingen kan vekselvirke med et elektron i atomet ved Compton-spredning. Det forandrer da retning og taper energi samtidig som elektronet blir slått ut når det har en bindingsenergi som er mindre enn energien til fotonet. Men enda større betydning har prosesser hvor fotonet fullstendig forsvinner i kollisjonen som frigjør elektronet. Dette er ren absorpsjon og tilsvarer den fotoelektriske effekten i metaller. Da elektronene i de ytterste elektronskallene har lavest bindingsenergi, vil de først bli slått løs ved denne absorpsjonen.^[4]

Ved økende energi på røntgenstrålen vil spredningstverrsnittet for slike kollisjoner avta, men gjennomgå små «hopp» hver gang et nytt skall åpner seg opp. Det mest markante er «K-kanten» når energien blir såpass stor at elektroner fra K-skallet slås ut. Utenom disse lokale variasjonene varierer absorpsjonstverrsnittet tilnærmet som Z³/E³ hvor Z er atomnummeret til materialet i anoden, og E er energien til fotonene. Atomer med høyt atomnummer vil dermed absorbere mer enn de med lave atomnummer. For eksempel absorberer kalsium vesentlig bedre enn karbon. I et røntgenbilde av en hånd opptrer ben lysere enn vevet omkring.^[5] Av samme grunn benyttes vanligvis bly med Z = 82 for å avskjerme enda mer energetisk gammastråling.

Det er dette som gjør røntgenstråling så viktig i medisinsk diagnostikk og radiografi. Mange opplever dette ved vanlig tannbehandling, og den danner grunnlaget for moderne CT-undersøkelser og mammografi.

Se også

• Røntgen (mål)
• CT
• Ioniserende stråling

Referanser

1. A. Pais, Inward Bound, Oxford University Press, England (1986). ISBN 0-19-851971-0.
2. J.J. Brehm and W.J. Mullin, Introduction to the Structure of Matter, John Wiley & Sons, New York (1989). ISBN 0-471-61273-1.
3. A. Authier, Early Days of X-ray Crystallography, Oxford University Press, England. ISBN 978-0-19-965984-5.
4. R.M. Eisberg, Fundamentals of Modern Physics, John Wiley & Sons, New York (1965).
5. R. Fosbinder and D. Orth, Essentials of Radiologic Science, Wolters Kluwer Health, Baltimore (2012). ISBN 978-0-7817-7554-0.

Eksterne kilder

• YouTube, History of X-rays, video
• Kathy, How the X-ray Machine Works & Was Invented: from Hertz to Lenard, YouTube-video
• APS, Roentgen's Discovery of X-Rays, This Week in Physics (2001).
• HyperPhysics, X-Rays, websider med forskjellig stoff