30.4: X Rays - Asili ya Atomiki na Matumizi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza tube ya x-ray na wigo wake.
• Onyesha nishati ya tabia ya x-ray.
• Eleza matumizi ya mionzi ya x katika uchunguzi wa matibabu.
• Eleza matumizi ya mionzi ya x katika scanners za CT katika uchunguzi.

Kila aina ya atomi (au kipengele) ina tabia yake ya wigo wa umeme. Mionzi ya X iko kwenye mwisho wa mzunguko wa wigo wa atomu na ni tabia ya atomu pia. Katika sehemu hii, sisi kuchunguza tabia x rays na baadhi ya maombi yao muhimu.

Sisi hapo awali kujadiliwa x rays kama sehemu ya wigo sumakuumeme katika Photon Energies na Spectrum sumakuumeme. Moduli hiyo ilionyesha jinsi tube ya x-ray (CRT maalumu) inazalisha mionzi ya x. Electroni zilizotolewa kutoka filament ya moto zinaharakisha na voltage ya juu, kupata nishati muhimu ya kinetic na kushangaza anode.

Kuna michakato miwili ambayo mionzi ya x huzalishwa katika anode ya tube ya x-ray. Katika mchakato mmoja, kupungua kwa elektroni hutoa mionzi ya x, na hizi mionzi x huitwa bremsstrahlung, au mionzi ya braking. Mchakato wa pili ni atomiki katika asili na hutoa mionzi ya x, inayoitwa kwa sababu ni tabia ya nyenzo za anode. wigo x-ray katika Kielelezo ni mfano wa kile zinazozalishwa na tube x-ray, kuonyesha Curve pana ya mionzi bremsstrahlung na tabia peaks x-ray juu yake.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): X-ray wigo kupatikana wakati elektroni juhudi mgomo nyenzo, kama vile katika anode ya CRT. Sehemu laini ya wigo ni mionzi ya bremsstrahlung, wakati kilele ni tabia ya vifaa vya anode. Nyenzo tofauti za anode zingekuwa na kilele cha x-ray katika masafa tofauti.

wigo katika Kielelezo ni zilizokusanywa katika kipindi cha muda ambapo elektroni nyingi mgomo anode, na aina ya matokeo iwezekanavyo kwa kila hit. Mbalimbali ya nguvu x-ray katika mionzi bremsstrahlung inaonyesha kuwa nishati ya tukio elektroni si kawaida kubadilishwa kabisa katika nishati photon. Nishati ya juu zaidi ya x ray zinazozalishwa ni moja ambayo nishati yote ya elektroni ilibadilishwa kuwa nishati ya photon. Hivyo voltage ya kuharakisha na nishati ya x-ray ya juu ni kuhusiana na uhifadhi wa nishati. Nishati ya uwezo wa umeme inabadilishwa kuwa nishati ya kinetic na kisha nishati ya photon, ili\(E_{max} = hf_{max} = q_eV\). Units ya volts elektroni ni rahisi. Kwa mfano, voltage ya kasi ya 100-kV inazalisha photons x-ray na nishati ya juu ya 100 kV.

Baadhi ya elektroni huvutia atomi katika anode. Sehemu ya nishati ambayo huweka kwa mgongano na atomu husababisha elektroni moja au zaidi ya ndani ya atomu ikigongwa kwenye obiti ya juu au atomu kuwa ionized. Wakati atomi za anode zinasisimua, hutoa mionzi ya umeme ya umeme. Nguvu zaidi ya hizi huzalishwa wakati nafasi ya ndani ya shell imejazwa-yaani, wakati elektroni\(n = 1\) au\(n = 2\) shell imekuwa msisimko kwa kiwango cha juu, na elektroni nyingine huanguka katika doa wazi. Tabia x ray (tazama Photon Nguvu na Spectrum ya umeme) ni mionzi ya umeme (EM) iliyotolewa na atomi wakati nafasi ya ndani ya shell imejaa. Kielelezo kinaonyesha mchoro wa kiwango cha nishati ya mwakilishi unaoonyesha uwekaji wa mionzi ya tabia x. X rays kuundwa wakati elektroni iko katika nafasi\(n = 1\) shell inaitwa\(K_a\) wakati wao kuja kutoka ngazi ya pili ya juu; yaani,\(n = 2\) kwa\(n = 1\) mpito. Maandiko\(K, \, L, \, M, . . . \) yanatoka kwenye uandikishaji wa alfabeti wa zamani wa shells kuanzia na\(K\) badala ya kutumia namba kuu za quantum 1, 2, 3,... Nguvu zaidi ya\(K_{\beta}\) x ray huzalishwa wakati elektroni iko katika nafasi ya\(n = 3\) shell kutoka shell; yaani, na\(n = 3\) kwa\(n = 1\) mpito.\(n = 1\) Vile vile, wakati elektroni inapoingia kwenye\(n = 2\) shell kutoka kwenye\(n = 3\) shell, ray\(L_{\alpha}\) x imeundwa. Nguvu za mionzi hii x hutegemea nguvu za majimbo ya elektroni katika atomi fulani na, kwa hiyo, ni tabia ya kipengele hicho: kila kipengele kina seti yake ya nguvu za x-ray. Mali hii inaweza kutumika kutambua vipengele, kwa mfano, kupata kiasi kidogo (kidogo) cha kipengele katika sampuli ya mazingira au kibaiolojia.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): tabia x ray hutolewa wakati elektroni inajaza nafasi ya ndani ya shell, kama inavyoonekana kwa mabadiliko kadhaa katika mchoro huu wa kiwango cha nishati takriban kwa atomi nyingi za elektroni. Tabia ya mionzi ya x inaitwa kulingana na shell ambayo ilikuwa na nafasi na shell ambayo elektroni ilikuja. Ray\(K_{\alpha}\) x, kwa mfano, huzalishwa wakati elektroni inayotoka kwenye\(n = 2\) shell inajaza nafasi ya\(n = 1\) shell.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Characteristic X-Ray Energy

Tumia nishati ya takriban ya\(K_{\alpha}\)

x ray kutoka anode ya tungsten katika tube ya x-ray.

Mkakati

Tunahesabu jinsi gani nguvu katika atomi nyingi za elektroni? Katika kesi ya mionzi ya x tabia, hesabu ya takriban ifuatayo ni ya busara. Tabia ya mionzi ya x huzalishwa wakati nafasi ya ndani ya shell imejaa. Elektroni za ndani za ganda ziko karibu na kiini kuliko nyingine katika atomu na hivyo huhisi athari ndogo ya wavu kutoka kwa wengine. Hii ni sawa na kile kinachotokea ndani ya conductor kushtakiwa, ambapo malipo yake ya ziada yanasambazwa juu ya uso ili iweze kuzalisha shamba la umeme ndani. Ni busara kudhani elektroni za ndani za shell zina nguvu za hidrojeni, kama ilivyoelezwa na\(E_n = -\frac{Z^2}{n^2} E_0 (n = 1, \, 2, \, 3, . . .)\). Kama ilivyoelezwa, ray\(K_a\) x huzalishwa na\(n = 2\)\(n = 1\) mpito. Kwa kuwa kuna elektroni mbili katika\(K\) shell iliyojaa, nafasi ingeacha elektroni moja, ili malipo ya ufanisi yatakuwa\(Z - 1\) badala ya\(Z\). Kwa tungsten\(Z = 74\),, ili malipo ya ufanisi ni 73.

Suluhisho

\(E_n = - \frac{Z^2}{n^2}E_0(n = 1, \, 2, \, 3, . . .)\)anatoa nguvu orbital kwa atomi hidrojeni kama kuwa\(E_n = -(Z^2/n^2)E_0\), ambapo\(E_0 = 13.6 \, eV\). Kama ilivyoelezwa, ufanisi\(Z\) ni 73. Sasa nishati ya\(K_{\alpha}\) x-ray hutolewa na\[E_{K_{\alpha}} = \Delta E = E_i - E_f = E_2 - E_1,\] wapi\[E_1 = -\dfrac{Z^2}{1^2}E_0 = - \dfrac{73^2}{1} \left(13.6 \, eV\right) = - 72.5 \, keV\] na\[E_2 = - \dfrac{Z^2}{2^2} E_0 = - \dfrac{73^2}{4}\left(13.6 \, eV\right) = -18.1 \, keV.\] Hivyo,\[E_{K_{\alpha}} = -18.1 \, keV - (- 72.5 \, keV) = 54.4 \, keV.\]

Majadiliano

Nishati hii kubwa ya photon ni ya kawaida ya mionzi ya x kutoka kwa vipengele nzito. Ni kubwa ikilinganishwa na uzalishaji mwingine wa atomiki kwa sababu huzalishwa wakati nafasi ya ndani ya shell imejaa, na elektroni za ndani za shell zimefungwa. Tabia x ray nguvu kuwa kuendelea kubwa kwa mambo nzito kwa sababu nishati zao kuongezeka takriban kama\(Z^2\). Voltage muhimu ya kuharakisha inahitajika ili kuunda nafasi hizi za ndani za shell. Katika kesi ya tungsten, angalau 72.5 kV inahitajika, kwa sababu shells nyingine zinajazwa na huwezi tu kupiga elektroni moja kwenye shell iliyojaa juu. Tungsten ni nyenzo za kawaida za anode katika zilizopo za x-ray; kiasi kikubwa cha nishati za elektroni zinazoathiri huingizwa, na kuongeza joto lake, kwamba nyenzo za kiwango cha juu cha kuyeyuka kama tungsten kinahitajika.

Matumizi ya Matibabu na mengine ya Diagnostic ya X-rays

Sisi sote tunaweza kutambua matumizi ya uchunguzi wa photons x-ray. Miongoni mwa haya ni mionzi ya meno na matibabu ya jumla ambayo imekuwa sehemu muhimu ya uchunguzi wa matibabu. (Angalia Kielelezo na Kielelezo.) X rays pia kutumika kukagua mizigo yetu katika viwanja vya ndege, kama inavyoonekana katika Kielelezo, na kwa kutambua mapema ya nyufa katika vipengele muhimu ndege. Radi ya x sio tu jina linalomaanisha photon ya juu-nishati, pia ni picha iliyozalishwa na mionzi ya x, na imefanywa kuwa kitenzi-kinachojulikana kuwa x-rayed.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Picha ya x-ray inaonyesha kujaza meno ya mtu. (mikopo: Dmitry G, Wikimedia Commons)

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Picha hii ya x-ray ya kifua cha mtu inaonyesha maelezo mengi, ikiwa ni pamoja na pacemaker bandia. (mikopo: Sunzi99, Wikimedia Commons)

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Picha hii ya x-ray inaonyesha yaliyomo ya kipande cha mizigo. Denser nyenzo, giza kivuli. (mikopo: iDuke, Wikimedia Commons)

Picha za kawaida za x-ray ni vivuli rahisi. Kwa kuwa photons za x-ray zina nguvu za juu, zinapenya vifaa ambavyo ni opaque kwa mwanga unaoonekana. Nishati zaidi ya photon ya x-ray ina, nyenzo zaidi itapenya. Hivyo tube ya x-ray inaweza kuendeshwa kwa 50.0 kV kwa kifua x ray, ambapo inaweza kuhitajika kuendeshwa kwa kV 100 kuchunguza mguu uliovunjika katika kutupwa. Ya kina cha kupenya ni kuhusiana na wiani wa nyenzo pamoja na nishati ya photon. Denser nyenzo, photons chache x-ray hupitia na giza kivuli. Hivyo x rays bora katika kuchunguza mapumziko katika mifupa na katika upigaji picha miundo mingine ya kisaikolojia, kama vile baadhi ya uvimbe, kwamba tofauti katika wiani kutoka nyenzo jirani. Kwa sababu ya nishati yao ya juu ya photon, mionzi ya x huzalisha ionization muhimu katika vifaa na seli za uharibifu katika viumbe vya kibiolojia. Matumizi ya kisasa hupunguza yatokanayo na mgonjwa na kuondokana na yatokanayo na wengine. Athari za kibiolojia za mionzi ya x zitachunguzwa katika sura inayofuata pamoja na aina nyingine za mionzi ya ionizing kama vile yale yanayozalishwa na viini.

Kama nishati ya x-ray inavyoongezeka, athari ya Compton (angalia Photon Momentum) inakuwa muhimu zaidi katika kuzuia mionzi ya x. Hapa, x ray hutawanya kutoka nje elektroni shell ya atomi, kutoa elektroni ejected baadhi ya nishati kinetic wakati kupoteza nishati yenyewe. Uwezekano wa kuzuia mionzi ya x inategemea idadi ya elektroni zilizopo (wiani wa nyenzo) pamoja na unene wa nyenzo. Utungaji wa kemikali wa kati, kama unaojulikana na idadi yake ya atomiki\(Z\), sio muhimu hapa. Mionzi ya chini ya nishati hutoa tofauti bora (picha kali). Hata hivyo, kutokana na uzuiaji mkubwa na kueneza kidogo, wao hupatikana zaidi na vifaa vingi. Tofauti kubwa inaweza kupatikana kwa kuingiza dutu yenye idadi kubwa ya atomiki, kama vile bariamu au iodini. Muundo wa sehemu ya mwili ambayo ina dutu (kwa mfano, njia ya gastro-INTESTINAL au tumbo) unaweza kuonekana kwa urahisi kwa njia hii.

Saratani ya matiti ni sababu ya pili inayoongoza ya kifo kati ya wanawake duniani kote. Kugundua mapema inaweza kuwa na ufanisi sana, hivyo umuhimu wa uchunguzi wa x-ray. Mammogram haiwezi kutambua tumor mbaya, tu kutoa ushahidi wa donge au kanda ya wiani ulioongezeka ndani ya kifua. X-ray ngozi na aina tofauti ya tishu laini ni sawa sana, hivyo tofauti ni vigumu; hii ni kweli hasa kwa wanawake wadogo, ambao kwa kawaida wana matiti denser. Kwa wanawake wakubwa ambao wako katika hatari kubwa ya kuendeleza saratani ya matiti, kuwepo kwa mafuta zaidi katika kifua hutoa tofauti au tumor zaidi. MRI (Imaging resonance magnetic) hivi karibuni imekuwa kutumika kama nyongeza kwa kawaida x rays kuboresha kugundua na kuondoa chanya uongo. Kiwango cha mionzi ya somo kutoka kwenye mionzi ya x kitatendewa katika sura ya baadaye.

Kiwango cha x ray kinatoa tu mtazamo wa pande mbili za kitu. Mifupa yenye nguvu inaweza kujificha picha za tishu laini au viungo. Ikiwa umechukua mwingine x ray kutoka upande wa mtu (wa kwanza kuwa kutoka mbele), ungepata maelezo ya ziada. Wakati picha za kivuli zinatosha katika programu nyingi, picha za kisasa zaidi zinaweza kuzalishwa na teknolojia ya kisasa. Kielelezo kinaonyesha matumizi ya scanner ya tomography ya computed (CT), pia inaitwa computed axial tomography (CAT) scanner Mionzi ya X hupitia sehemu nyembamba (inayoitwa kipande) ya mwili wa mgonjwa (au sehemu ya mwili) juu ya maelekezo mbalimbali. Safu ya detectors wengi upande wa pili wa mgonjwa huandikisha mionzi ya x. Mfumo huo umezungushwa karibu na mgonjwa na picha nyingine inachukuliwa, na kadhalika. Tube ya x-ray na safu ya detector ni mechanically masharti na hivyo kugeuka pamoja. Usindikaji kamili wa picha ya kompyuta ya ngozi ya jamaa ya mionzi ya x kwa njia tofauti hutoa picha ya kina sana. Vipande tofauti vinachukuliwa kama mgonjwa anavyopitia kupitia skanner kwenye meza. Picha nyingi za vipande tofauti pia inaweza kompyuta kuchambuliwa kuzalisha habari tatu-dimensional, wakati mwingine kuimarisha aina maalum ya tishu, kama inavyoonekana katika Kielelezo. Hounsfield (Uingereza) na A. Cormack (Marekani) walishinda Tuzo ya Nobel ya Tiba mwaka 1979 kwa ajili ya maendeleo yao ya tomography ya computed.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): mgonjwa kuwa nafasi nzuri katika CT Scanner ndani meli hospitali USNS Mercy. Scanner CT hupita mionzi ya x kupitia vipande vya mwili wa mgonjwa (au sehemu ya mwili) juu ya maelekezo mbalimbali. Uingizaji wa jamaa wa mionzi ya x kwa njia tofauti ni kompyuta iliyochambuliwa ili kuzalisha picha za kina sana. Taarifa tatu-dimensional inaweza kupatikana kutoka vipande vingi. (mikopo: Rebecca Moat, Marekani Navy)

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Picha hii ya tatu-dimensional ya fuvu ilizalishwa na tomography iliyohesabiwa, inayohusisha uchambuzi wa vipande kadhaa vya x-ray vya kichwa. (mikopo: Emailshankar, Wikimedia Commons)

Mchanganyiko wa X-ray na Crystallography

Kwa kuwa photoni za x-ray zina nguvu sana, zina wavelengths fupi. Kwa mfano, 54.4-kev\(K_{\alpha}\) x ray ya Mfano ina wavelength\(\lambda = hc/E = 0.0228 \, nm\). Hivyo, kawaida x-ray photons hufanya kama rays wakati wao kukutana na vitu macroscopic, kama meno, na kuzalisha vivuli mkali; hata hivyo, tangu atomi ni juu ya utaratibu wa 0.1 nm kwa ukubwa, x rays inaweza kutumika kuchunguza mahali, sura, na ukubwa wa atomi na molekuli. Mchakato huitwa diffraction ya x-ray, kwa sababu inahusisha diffraction na kuingiliwa kwa mionzi ya x ili kuzalisha ruwaza ambazo zinaweza kuchambuliwa kwa habari kuhusu miundo iliyotawanyika mionzi ya x. Pengine mfano maarufu zaidi wa diffraction ya x-ray ni ugunduzi wa muundo wa mara mbili-helix wa DNA mwaka 1953 na timu ya kimataifa ya wanasayansi wanaofanya kazi katika Maabara ya Cavendish-American James Watson, Mwingereza Francis Crick, na New Zealand-mzaliwa Maurice Wilkins. Kwa kutumia data ya diffraction ya x-ray zinazozalishwa na Rosalind Franklin, walikuwa wa kwanza kutambua muundo wa DNA ambayo ni muhimu sana kwa maisha. Kwa hili, Watson, Crick, na Wilkins walipewa Tuzo ya Nobel ya 1962 katika Physiolojia au Tiba. Kuna mjadala mwingi na utata juu ya suala hilo kwamba Rosalind Franklin hakujumuishwa katika tuzo.

Kielelezo kinaonyesha muundo wa diffraction zinazozalishwa na kueneza kwa mionzi ya x kutoka kioo. Utaratibu huu unajulikana kama x-ray crystallography kwa sababu ya habari inaweza kutoa kuhusu muundo kioo, na ilikuwa aina ya data Rosalind Franklin zinazotolewa kwa Watson na Crick kwa DNA. Si tu kufanya x rays kuthibitisha ukubwa na sura ya atomi, wao kutoa taarifa juu ya mipango atomiki katika vifaa. Kwa mfano, utafiti wa sasa katika superconductors high-joto inahusisha vifaa tata ambao mipango ya kimiani ni muhimu kwa kupata vifaa superconductive. Hizi zinaweza kujifunza kwa kutumia kioo cha x-ray.

Kielelezo\(\PageIndex{8}\): Diffraction ya X-ray kutoka kioo cha protini, yai ya kuku lysozyme, ilizalisha muundo huu wa kuingiliwa. Uchambuzi wa muundo hutoa habari kuhusu muundo wa protini. (mikopo: Del45, Wikimedia Commons)

Kihistoria, kueneza kwa mionzi ya x kutoka fuwele ilitumiwa kuthibitisha kwamba mionzi ya x ni mawimbi ya nguvu ya EM. Hili lilishukiwa tangu wakati wa ugunduzi wa mionzi ya x mwaka 1895, lakini haikuwa hadi mwaka wa 1912 ambapo Mjerumani Max von Laue (1879—1960) aliwashawishi wenzake wawili kutawanya x rays kutoka fuwele. Ikiwa muundo wa diffraction unapatikana, alijadiliana, basi mionzi ya x lazima iwe mawimbi, na wavelength yao inaweza kuamua. (Nafasi ya atomi katika fuwele mbalimbali ilikuwa inajulikana sana wakati huo, kulingana na maadili mazuri kwa idadi ya Avogadro.) Majaribio yalikuwa yakishawishi, na Tuzo ya Nobel ya 1914 katika Fizikia ilitolewa kwa von Laue kwa pendekezo lake lililoongoza kwa ushahidi kwamba x rays ni mawimbi ya EM. Mwaka wa 1915, timu ya kipekee ya baba-na-mwana wa Sir William Henry Bragg na mwanawe Sir William Lawrence Bragg walipewa tuzo ya pamoja ya Nobel ya kuvumbua spectrometer ya x-ray na sayansi mpya ya uchambuzi wa x-ray Mzee Bragg alikuwa amehamia Australia kutoka Uingereza tu baada ya kuhitimu katika hisabati. Alijifunza fizikia na kemia wakati wa kazi yake katika Chuo Kikuu cha Adelaide. Bragg mdogo alizaliwa huko Adelaide lakini alirudi kwenye Maabara ya Cavendish nchini Uingereza kwa kazi katika x-ray na neutron crystallography; alitoa msaada kwa Watson, Crick, na Wilkins kwa kazi yao ya kufuta siri za DNA na kwa Max Perutz kwa kazi yake ya kushinda Tuzo ya Nobel ya 1962 kwenye muundo wa hemoglobin. Hapa tena, tunashuhudia asili ya kuwezesha ya vyombo vya kuanzisha fizikia na kubuni majaribio pamoja na kutatua siri katika sayansi ya biomedical.

Baadhi ya matumizi mengine ya mionzi ya x yatasomwa katika sura za baadaye. Mionzi ya X ni muhimu katika kutibu kansa kwa sababu ya athari za kuzuia wanazo juu ya uzazi wa seli. Mionzi X inayoonekana ikitoka angani nje ni muhimu katika kuamua asili ya vyanzo vyake, kama vile nyota za neutroni na pengine mashimo meusi. Iliyoundwa katika milipuko ya bomu ya nyuklia, rays x pia inaweza kutumika kuchunguza vipimo vya anga vya siri vya silaha hizi. X rays inaweza kusababisha uchochezi wa atomi, ambayo kisha fluoresce (emitting tabia EM mionzi), na kufanya x-ray-ikiwa fluorescence chombo muhimu uchambuzi katika aina mbalimbali ya mashamba kutoka sanaa kwa akiolojia.

Muhtasari

• Mionzi ya X ni mionzi ya juu ya mzunguko wa EM. Wao huzalishwa na mabadiliko kati ya viwango vya elektroni vya ndani vya shell, vinavyozalisha mionzi ya x tabia ya kipengele cha atomiki, au kwa kuharakisha elektroni.
• Mionzi ya X ina matumizi mengi, ikiwa ni pamoja na uchunguzi wa matibabu na diffraction ya x-ray.

faharasa

x rays

aina ya mionzi ya umeme

x-ray diffraction

mbinu ambayo hutoa maelezo ya kina kuhusu muundo wa kioo wa vifaa vya asili na viwandani