بسم الله الرحمان الرحیم
موضوع تحقیق : اشعه ایکس
تاریخچه
در سال 1895 ، درخشش کوتاه صفحه فسفرسانتی که در گوشه ای از آزمایشگاه نیمه تاریک بررسی اشعه کاتدیک قرار داشت، ذهن آماده و خلاق رنتگن که در آن زمان استاد فیزیک بود، متوجه پرتوهای تازه ای نمود که از حباب شیشه ای لامپهای کاتودیک بیرون زده و بی آنکه به چشم دیده شود به اطراف پراکنده می شوند. آن چه مایه شگفتی رنتگسن شده بود، نفوذ این پرتوها از دیواره شیشه ای لامپ به بیرون و تاثیر آن روی صفحه فاوئورسانت در گوشه ای نسبتا دور از لامپ در آزمایشگاه بود. رنتگن به بررسیهای خود درباره کشف تازه که آن پرتو ایکس نامید (بخاطر فروتنی) ، ادامه داد. بعدها این اشعه رنتگن نامیده شد.
تصویر دست همسر رونتگن در سال ۱۸۹۶
اشعه ایکس
اشعه ایکس نوعی تابش الکترومغناطیسی است که بیشتر به دلیل قابلیت نفوذ آن در پوست و عکس برداری از استخوان ها، شناخته شده است. پیشرفت های تکنولوژی منجر به ایجاد پرتوهای ایکس همگراتری شده است؛ از این رو با استفاده از تکنولوژی امروزه در تولید پرتو ایکس می توان ساختار سلول ها و دیگر اجزاء جزئی تر بیولوژیکی را نیز تعیین کرد. از این پرتوها در ساخت مکانیزم هایی استفاده می شود که می توان با استفاده از آن ها سلول های سرطانی را از بین برد.
به پرتو ایکس با فوتون های پرانرژی تر (بالای ۵ یا ۱۰ کیلو الکترون ولت و با طول موج ۰٫۱ تا ۰٫۲ نانومتر) پرتو ایکس سخت و پرتوهای با انرژی پایین تر را پرتو ایکس نرم می گویند.به دلیل توان نفوذ بالای پرتو ایکس سخت، از آن برای تصویربرداری از داخل اجسام، مانند پرتونگاری از اعضای بدن و همچنین قسمت امنیت فرودگاه ها و به عنوان یکی از روش های تست غیرمخرب در تشخیص نقص های موجود در اشیا (مثلاً در لوله ها و …) استفاده می شود.
از عبارت «پرتو ایکس» علاوه بر روش پرتو نگاری، برای عکس های پرتو نگاری شده به این روش نیز اطلاق می شود. به دلیل اینکه طول موج پرتو ایکس سخت برابر اندازه اتم ها است، از کریستالوگرافی اشعه ایکس برای تعیین ساختار کریستالی استفاده می شود. در مقابل پرتو ایکس نرم به آسانی در هوا جذب می شود؛ عمق نفوذ پرتو ایکس با قدرت ۶۰ الکترون ولت در آب کمتر از یک میکرومتر است.
هیچ توافق جامعی برای تمایز بین پرتوهای ایکس و گاما وجود ندارد. یکی از روش های تعیین تمایز بین این دو پرتو، بررسی منبع آن است؛ پرتو ایکس از الکترونها و پرتو گاما از هسته اتم ساطع می شود. این شیوه از تعریف اشکالات فراوانی دارد؛ در فرایندهای دیگر نیز فوتون هایی با انرژی های بالا تولید می گردند، یا اینکه روش های تولیدی وجود دارد که شناخته شده نیستند. تمایز دیگر پرتو گاما و پرتو ایکس، بر اساس طول موج است، پرتوهای دارای طول موج های پایین، برای مثال ۰٫۱ آنگستروم، در دسته بندی پرتو گاما قرار می گیرند.با این معیار درصورتی که فقط طول موج مشخص باشد می توان فوتون را در یک دسته بندی مشخص قرار داد. هرچند برخی روش های اندازه گیری قادر به تمیز دادن طول موج های مختلف نیستند، اغلب این دو تعریف با هم منطبقند چراکه پرتوهای الکترومغناطیس ساطع شده از تیوب های پرتو ایکس دارای طول موج بلندتر و انرژی فوتون پایین تری نسبت به پرتوهای ساطع شده از هسته های پرتوزا هستند.[۷] گاهی اوقات، به غیر از این دو تعریف، در زمینه ای خاص، تعاریفی بر اساس سوابق تاریخی، تکنیک های اندازه گیری (تشخیص) یا نوع مصرف آن کاربرد پیدا می کنند. با این حال، پرتو گامای مورد استفاده در امور پزشکی و صنعتی، به عنوان مثال برای پرتو درمانی، دارای طول موج ۶ تا ۲۰ مگاالکترون ولت است، که می توان آن را در دسته پرتو ایکس نیز قرار داد.
پرتو ایکس عضوی از طیف الکترومغناطیس است، که دارای طول موج پایین تر از نور مرئی است. در کاربردهای متفاوت از طیفهای مختلف پرتو ایکس استفاده می شود.
قدرت نفوذ پرتوهای ایکس به دلیل انرژی بالا، فوقالعاده زیاد است و از اغلب مواد عبور میکنند. اگر دست خود را در مسیر پرتوهای ایکس قرار دهیم، فقط سایهی استخوانهای دست روی صفحه مشاهده میشود. علت این امر آن است که پرتوهای ایکس بدون جذب شدن از عضلات و بافت نرم بدن عبور میکنند ولی از استخوان عبور نمیکنند و جذب میشوند. به طور کلی عناصری که جرم اتمی زیادی دارند پرتوهای ایکس را بیشتر جذب میکنند. پرتوهای ایکس روی بافتهای زنده اثر کرده و موجب تخریب آنها میشوند. بنابراین لولههای پرتوی ایکس را در محفظههای سربی قرار میدهند، زیرا همان طور که گفته شد، سرب به دلیل جرم اتمی زیاد توانایی جذب پرتوی ایکس را دارد. پرتوهای ایکس در بسیاری از اجسام، فلورسانس تولید میکنند. مثلا تابش پرتوی ایکس بر روی باریم هگزا سیانوپلاتینات، نور سبز رنگ تولید میکند. از دیگر ویژگیهای پرتوهای ایکس محدودهی طول موج آنهاست. همانطور که قبلا اشاره شد، طول موج آنگستروم است که این مقدار مشابه فاصلهی بین اتمها در بلور مواد 10 تا 0.01 تقریبی پرتوی ایکس در حد است و همین امر امکان پراش و بررسی ساختار بلوری مواد را با استفاده از پرتوی ایکس فراهم کرده است.
ویژگی های پرتو ایکس
خواص
فوتون های پرتو ایکس دارای انرژی لازم برای یونیزه کردن اتم ها و شکستن پیوند اتمی هستند. این خاصیت پرتو ایکس را در طبقه بندی پرتوهای یونیزه کننده قرار می دهد، و به همین دلیل برای بافت های زنده مضر است. قرار گرفتن در معرض دوز تابش در مقادیر بالا در یک دوره زمانی کم باعث ایجاد بیماریهای حاصل از تشعشع می شود، و در عین حال قرار گرفتن در معرض دوز تابش در مقادیر پایین ریسک ابتلا به سرطان های ناشی از تشعشع را بالا می برد. 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 می توان در درمان سرطان استفاده کرد، که در این روش پرتو درمانی از پرتوایکس برای کشتن سلول های بدخیم سرطانی استفاده می شود. همچنین ازطیف سنجی پرتو ایکس برای تعیین خصوصیات مواد استفاده می شود.
پرتو ایکس سخت می تواند 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 می شود. کاربردهای دیگر آن عبارتند از رادیوگرافی پزشکی و اسکنرهای امنیتی فرودگاه ها. 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 می شود. عمق نفوذ پرتو ایکس با تغییر فرکانس آن تغییر می کند. این موضوع تنظیم انرژی فوتون برای کاربردهای مختلف را امکان پذیر می کند.
روش های تولید
در هنگام برخورد الکترون های با سرعت بالا به فلزات، الکترون های لایه های پایین تر به لایه های بالاتر منتقل شده (اتم ها برانگیخته می شوند) و در هنگام برگشت الکترون ها به حالت پایه انرژی مازاد را به صورت پرتو ایکس گسیل می کنند؛ بنابراین هر لامپ تولید پرتو ایکس باید شامل:
منبع الکترون
میدان شتاب دهنده به الکترونها
هدف فلزی
باشد. به علاوه از آنجایی که قسمت عمدهٔ انرژی جنبشی الکترون ها هنگام برخورد به فلز هدف، به حرارت تبدیل می شود، معمولاً فلز هدف را با آب خنک می کنند تا ذوب نشود.
طیف اشعه ایکس
اشعه تولید شده به وسیله لامپ اشعه ایکس یک طول موج ندارد. بلکه شامل گستره ای از طول موج هاست. پرتوهای ایکس به وسیله دو نوع فرایند تولید می شوند:
شتاب منفی الکترون ها در موقع برخورد با انتهای ماده ی هدف پرتوهای ایکسی با طول موج های متفاوت تولید می کند. این پرتو "سفید" یا نوار پیوسته، فرکانس ها در طیف اشعه ایکس را به عنوان تابش ترمزی می شناسند.
برخورد الکترون با اتم هدف موجب جابجایی الکترون مداری در اتم هدف و راندن آن به حالت پر انرژی تری می شود. این عمل را برانگیزش می نامند.
هنگامی که الکترون مداری پر انرژی، به موقعیت مداری نخستین خود برمی گردد، رها شدن انرژی به صورت گسیل پرتوی با فرکانس خاصی خواهد بود. این پرتو، شدت خیلی بیش تری نسبت به پرتو "سفید" زمینه خواهد داشت.
معمولا برای هر ماده، هدف معینی بیش از یک طول موج اشعه ایکس وجود دارد. طول موج پرتو تولید شده به وسیله لامپ اشعه ایکس، حد پایینی دارد که با ولتاژ لامپ نسبت عکس دارد. پرتو حد پایینی طول موج طیف، بیش ترین اهمیت را در پرتو نگاری دارد. زیرا توانایی نفوذ آن بیش تر است.
نفوذ پذیری پرتوهای ایکس تولید شده از پرتوهای گاما کمتر بوده اما برای پرتوهای ایکس تولید شده در لامپهای اشعه ایکس بوسیله چشمه های پرانرژی در خصوص فولاد نیز دیده می شود. باید توجه کرد که بیشترین ضخامتهای استفاده از زمانهای پرتودهی چند دقیقه ای و فیلمی با سرعت متوسط می توان مورد بررسی قرار داد. مقاطع ضعیفتر را با استفاده از زمانهای پرتودهی طولانی و فیلمی با سرعت زیاد می توان بررسی کرد .
تحقیقات دهه های اخیر مخاطرات پرتوهای یونساز را بطور قطع روشن کرده است . برهمین اساس امروزه اثرات بیولوژیکی پرتوهای یونساز را به سه گروه مختلف طبقه بندی می کنند :
xاثرات بیولوژیکی پرتو
ج ) اثرات ژنتیکی : اثراتی که در فرزندان و نسل های آینده افراد مورد تابش می باشدDNAظاهر می شوند و ناشی از اثر پرتو بر روی
الف ) اثرات قطعی بدنی یا جسمانی :جزو آثار اولیه یا زودرس بوده که وقوع آنها حتمی است . که از سرخی پوست تا نکروز سلولها و عقب افتادگی رشد زمانی که حاصل تابش مناطق اپی فیزییال در کودکان است متفاوت است .
ب ) آثار آماری بدن : همانطور که از نام آنها پیداست آماری بوده که از مهمترین آنها لوسمی انواع سرطانها و کوتاهی عمر است . نام دیگر این آثار ، آثار دیررسی است .
اثر اشعه روی سلول ها
اثر اشعه روی سلولها به دو عامل مقدار اشعه و نوع سلول بستگی دارد . بطور کلی هر چه زمان تابش اشعه کمتر باشد اثر آن زیادتر است زیرا در طی آن فرصت برای ترمیم سلول وجود ندارد . اثر اشعه در قسمتهای مختلف سلول و همینطور انواع سلول یکسان نمی باشد و همینطور این اثرات در حالات مختلف یک سلول متفاوت می باشد . طبق تجربه هسته سلول ۲۵ بار حساس تر از سیتوپلاسم است از طرفی می دانیم خاصیت تولید مثل مربوط به هسته بوده بنابراین ضایعات آن به مراتب وخیم تر می باشد به علاوه تغییرات هسته برعکس سیتوپلاسم قابل ترمیم نمی باشد . اگر چه همه سلولهای زنده به اشعه X حساسند ولی این حساسیت در آنها متفاوت است . طبق قانون برگونی و توبیوند هرچه فعالیت تقسیم سلولی زیادتر و فاصله آن از زمان تقسیم بعدی بیشتر و عمل فیزیولوژیکی آن نامشخص تر باشد حساسیت آن نسبت به اشعه X بیشتر خواهد بود . در بین موجودات تک سلولی معمولاً باکتریها حساسیت زیادی به اشعه ندارند اما با تابش پرتو X و سایر پرتوهای یونساز می توان کشت میکروبی را استریل کرد و بطور کلی حساسیت میکروبهای بیماری زا خیلی کمتر از سلولهای بدن است و از حساس ترین سلولهای بدن به ترتیب نزولی WBC و RBC موجود در طحال و تیموس و مغز استخوان و سلولهای سمینال و مولد اپیدرم است .باید یادآوری کرد که هر گاه بافتی به هر علت مثلاً آماس به حالت جنینی بازگشت کند حساسیت آن به اشعه زیاد می شود .
اثرات اشعه بر گلبولهای خونی
خود گلبولها در برابر پرتو حساسیت زیاد ندارند اما سلولهای تولید کننده آنها در غدد لنفاوی و طحال و مغز استخوان حساسیت بالایی دارند ودر بین آنها بافت لنفوئید از بقیه حساستر بوده و بافت میلوئید که شامل گلبولهای سفید چند هسته ای است حساسیت کمتری دارد به همین دلیل لکوپنی زودتر از آنمی ظاهر می شود .