Ακτίνες χ και οι εφαρμογές τους

1. ΑΚΤΙΝΕΣ Χ ΚΑΙ ΟΙ
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ
ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΗΣ ΔΙΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ-ΦΥΣΙΚΗΣ
Τσιριπίδου Χριστίνα
Γκανάτσος Θεόδωρος
Βογιατζής Θεμιστοκλής

2. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ
• Το 1895 ο Γερμανός φυσικός Wilhelm Röntgen εργαζόταν στο
πανεπιστήμιο του Würzburg. Εμπνεόμενος από τα πειράματα του Philipp
von Lenard που διερευνούσαν τη φύση των καθοδικών ακτίνων
(ηλεκτρόνια). Μελετούσε τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων που
επιταχύνονταν, μέσα σε σωλήνα χαμηλής πίεσης, από ηλεκτρικό πεδίο και
έπεφταν σε μεταλλικό́ στόχο από λευκοχρυσοκυανιούχο βάριο για την
ανίχνευση του φθορισμού που ίσως να προκαλούσαν οι καθοδικές ακτίνες.
• Ο Röntgen παρατήρησε ότι, όταν πλησίαζε στο σωλήνα μία φθορίζουσα
ουσία, τότε η ουσία, ακτινοβολούσε φως, ενώ, όταν πλησίαζε ένα
φωτογραφικό φιλμ, τότε αυτό μαύριζε.
Δεν ήταν ο πρώτος που παρατήρησε το φαινόμενο, αλλά αυτός θεώρειται ο
εφευρέτης τους.

3. • Στις 8 Νοεμβρίου 1895, ενώ ο σωλήνας που παρήγαγε τα ηλεκτρόνια ήταν
καλυμμένος με μαύρο χαρτόνι και λειτουργούσε σε έναν σκοτεινό θάλαμο
(και το λευκοχρυσοκυανιούχο βάριο βρισκόταν σε κάποια απόσταση από τον
σωλήνα), ο Röntgen παρατήρησε έκπληκτος ότι το λευκοχρυσοκυανιούχο
βάριο φθόριζε.
• O φθορισμός δεν ήταν δυνατόν να οφείλεται στις καθοδικές ακτίνες, αφού ο
σωλήνας στον οποίο παράγονταν αυτές ήταν καλυμμένος με χαρτόνι, αλλά
και το λευκοχρυσοκυανιούχο βάριο βρισκόταν σε απόσταση από αυτόν.

4. • Μπορεί η 8η Νοεμβρίου να καθιερώθηκε επίσημα ως η ημέρα γενεθλίων των
ακτίνων Χ, στην πραγματικότητα όμως ο Röntgen προς το τέλος του χρόνου και
μετά από συστηματική έρευνα, συνειδητοποίησε ότι παράγεται ένα νέο είδος
ακτινοβολίας που διέφερε από το φως και τις καθοδικές ακτίνες. Υποστήριξε
λοιπόν ότι τα φαινόμενα αυτά οφείλονταν σε ένα νέο άγνωστο και μυστηριώδη
τύπο ακτίνων, τις οποίες ονόμασε ακτίνες Χ. Το σύμβολο Χ χρησιμοποιήθηκε
από το Röntgen για να δηλώσει την άγνωστη μέχρι τότε φύση των ακτίνων.
• Οι ακτίνες Χ ονομάζονται και ακτίνες Röntgen, προς τιμήν του Wilhelm. Το
1901 ο Röntgen τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ φυσικής για την ανακάλυψη
των ακτίνων Χ.

5. ΟΡΙΣΜΟΣ
• Οι ακτίνες Χ ή ακτίνες Röntgen είναι αόρατη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που έχει μήκη
κύματος πολύ μικρότερα από τα μήκη κύματος των ορατών ακτινοβολιών. Πιο συγκεκριμένα
είναι ένα τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που βρίσκεται μεταξύ των τμημάτων της
υπεριώδους ακτινοβολίας και των ακτίνων γ. Η διάκριση μεταξύ των ακτίνων χ και ακτίνων γ
άλλαξε τις τελευταίες δεκαετίες.
• Οι ακτίνες Χ ανήκουν στις ιονίζουσες ακτινοβολίες, αφού η ενέργειά τους είναι ικανή να
προκαλέσει τον ιονισμό ατόμων και μορίων από αριθμό εσωτερικών τους ηλεκτρονίων.
• Οι ακτίνες Χ πρωταρχικά χρησιμοποιήθηκαν από την Ιατρική ως διαγνωστικό εργαλείο με
τη μορφή της ακτινογραφίας και από τη Φυσική και τη Χημεία με τη μορφή της
κρυσταλλογραφίας.

6. ΔΙΑΚΡΙΣΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ
Διαχωρίζονται σε 2 υποπεριοχές μήκους κύματος, συχνότητας και ενέργειας:
Μαλακές ακτίνες Χ - μεγάλα μήκη κύματος - λιγότερο διεισδυτικές
• περιοχή μήκους κύματος: 10 nm - 100 pm,
• περιοχή συχνότητας: 30 PHz - 3 HHz,
• περιοχή ενέργειας: 120 eV - 12 keV
Σκληρές ακτίνες Χ - μικρά μήκη κύματος - περισσότερο διεισδυτικές
• περιοχή μήκους κύματος: 100 - 10 pm.
• περιοχή συχνότητας: 3 - 30 HHz,
• περιοχή ενέργειας: 12 - 120 keV.

8. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ
• Ο πιο συνηθισμένος τρόπος παραγωγής ακτίνων Χ είναι μέσω της επιτάχυνσης ηλεκτρονίων με την χρήση
μιας συσκευής που αποτελείται από ένα γυάλινο σωλήνα και είναι εφοδιασμένος με δύο ηλεκτρόδια, την
άνοδο και την κάθοδο.
• Η κάθοδος θερμαίνεται και εκπέμπει ηλεκτρόνια. Επειδή αναπτύσσεται πολύ υψηλή θερμοκρασία στην
άνοδο, το υλικό της ανόδου είναι δύστηκτο μέταλλο και ψύχεται για να μη λιώνει. Όσο μεγαλύτερη είναι η
θερμοκρασία της καθόδου τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται στη
μονάδα του χρόνου.
• Ο σωλήνας περιέχει αέριο σε πολύ χαμηλή πίεση (της τάξης των 10^-7atm), ώστε να περιορίζονται οι
συγκρούσεις των ηλεκτρονίων με τα μόρια του αερίου.
• Μεταξύ της ανόδου και της καθόδου εφαρμόζεται υψηλή τάση, η οποία επιταχύνει τα ηλεκτρόνια από
δυναμικό τάξης μεγέθους των δεκάδων χιλιάδων βολτ και πρόσπτωσή τους σε στόχο ο οποίος αποτελείται
από μεταλλικό υλικό μεγάλου ατομικού αριθμού, συνήθως βολφράμιο ή μολυβδαίνιο.
• Τα ηλεκτρόνια προσπίπτοντας στο στόχο χάνουν σταδιακά την ενέργεια τους, εφ' όσον υφίστανται
επιβραδύνσεις από τα άτομα του υλικού του στόχου. Τα ηλεκτρόνια προσπίπτουν στην άνοδο με μεγάλη
ταχύτητα με αποτέλεσμα η ενέργεια που αποδίδουν στα άτομα του στόχου να είναι αρκετή για να διεγείρει
και ηλεκτρόνια των εσωτερικών στοιβάδων των ατόμων. Με την συμπλήρωση των στοιβάδων αυτών από τα
ηλεκτρόνια υψηλότερων ενεργειακά στοιβάδων παράγονται τα φωτόνια των ακτίνων Χ ένα είδος πολύ
διεισδυτικής ακτινοβολίας.

9. ΜΕ ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ
• Οι ακτίνες Χ παράγονται, όταν ηλεκτρόνια μεγάλης ταχύτητας, που έχουν επιταχυνθεί από
υψηλή τάση, προσπίπτουν σε μεταλλικό στόχο.

10. ΦΑΣΜΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Χ
• Το φάσμα της ακτινοβολίας Χ είναι σύνθετο.
• Αποτελείται από ένα συνεχές φάσμα πάνω στο οποίο εμφανίζονται μερικές γραμμές
(γραμμικό φάσμα). Τα δύο είδη φάσματος οφείλονται σε δύο διαφορετικές διεργασίες
παραγωγής και εκπομπής των ακτινών Χ.
• Επειδή τα ηλεκτρόνια που έχουν επιταχυνθεί αρχικά εναποθέτουν συγκεκριμένες τιμές
ενέργειας στα άτομα του στόχου, το φάσμα που προέρχεται από την αποδιέγερση και
συμπλήρωση των στοιβάδων των ατόμων του μεταλλικού στόχου, είναι γραμμικό. Υπάρχει
όμως και ένα συνεχές τμήμα του φάσματος των ακτίνων Χ το οποίο προέρχεται από τη
λεγόμενη ακτινοβολία πέδησης (Bremsstrahlung) που δίνεται από τα ηλεκτρόνια που
επιταχύνονται από το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο που υπάρχει κοντά στον μεγάλου ατομικού
αριθμού πυρήνα.

11. ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ
Όταν οι ακτίνες Χ διαπερνούν οποιοδήποτε υλικό, τότε ένα μέρος της ακτινοβολίας
απορροφάται από το υλικό. Η απορρόφηση της ακτινοβολίας εξαρτάται από :
• τη φύση του υλικού: Όσο μεγαλύτερος είναι ο ατομικός αριθμός Ζ των ατόμων του υλικού
που απορροφά την ακτινοβολία τόσο μεγαλύτερη είναι η απορρόφηση της ακτινοβολίας.
• το μήκος κύματος της ακτινοβολίας: Η απορρόφηση των ακτινών αυξάνεται όσο αυξάνεται
το μήκος κύματος της ακτινοβολίας.
• το πάχος του υλικού: Όσο μεγαλύτερο είναι το πάχος του υλικού τόσο μεγαλύτερη είναι και
η απορρόφηση της ακτινοβολίας μέσα στο υλικό αυτό.

12. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ
Ιατρικός τομέας
• Ακτινογραφία - Ακτινοσκόπηση. Είναι ακτινολογική μέθοδος εξέτασης.
Χρησιμοποιείται για διαγνωστικούς σκοπούς και μπορεί να απεικονίσει
οποιοδήποτε μέρος του σώματος. Η αρχή της λήψης ακτινογραφιών
βασίζεται στο γεγονός ότι η απορρόφηση των ακτινών Χ εξαρτάται από τον
ατομικό αριθμό των χημικών στοιχείων του υλικού που τις απορροφά.
Τα οστά περιέχουν στοιχεία μεγάλου ατομικού αριθμού (ασβέστιο,
φώσφορος) και απορροφούν περισσότερο την ακτινοβολία από ότι τους
ιστούς που αποτελούνται από ελαφρότερα στοιχεία (άνθρακας, οξυγόνο,
υδρογόνο, άζωτο) που έχουν μικρό ατομικό αριθμό. Το σημείο του σώματος
που προορίζεται να αποτυπωθεί στην ακτινογραφία τοποθετείται μπροστά
στο ακτινολογικό φιλμ και μια πηγή ακτινών Χ. Η εικόνα που λαμβάνεται
στο φιλμ, εκτυπώνεται και είναι ασπρόμαυρη και διαφανής. Ο αέρας
απεικονίζεται μαύρος (διαύγαση) και τα συμπαγή μόρια, άσπρα (σκίαση ή
πύκνωση).
Η εικονιζόμενη ακτινογραφία ελήφθη
στις 23 Ιανουαρίου 1896 και είναι μία
από τις πρώτες. Απεικονίζει το χέρι
της συζύγου του Βίλχελμ Ρέντγκεν.

13. ΑΥΤΟΜΑΤΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΑΞΟΝΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ –
ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ
• Είναι ακτινολογική μέθοδος εξέτασης του ανθρώπινου σώματος που μπορεί να απεικονίσει
σε κάθετες τομές ολόκληρο το σώμα με την χρήση των ακτινών Χ. Ο εξεταζόμενος
τοποθετείται σε ύπτια θέση σε ένα κινούμενο κάθισμα το οποίο αργά διέρχεται μέσω μιας
κυκλικής τρύπας του μηχανήματος. Αποφεύγεται να ακτινοβοληθούν οι οφθαλμοί, γι' αυτό
και το κεφάλι τοποθετείται με κλίση 15ο προς τα κάτω. Όση ώρα ο εξεταζόμενος βρίσκεται
μέσα στην κυκλική περιοχή ακτινοβολείται με ακτίνες Χ ανά τακτά χρονικά διαστήματα
• Η πηγή των ακτινών Χ παράγει μια αποκλίνουσα δέσμη, που έχει μορφή βεντάλιας. Οι
ακτίνες της δέσμης διαπερνούν το ανθρώπινο σώμα και, όταν εξέρχονται από την άλλη
πλευρά του σώματος, ανιχνεύονται, με διάταξη ανιχνευτών. Κάθε ανιχνευτής μετράει την
απορρόφηση μιας λεπτής δέσμης, που διαπερνά το σώμα. Η συσκευή περιστρέφεται γύρω
από το ανθρώπινο σώμα και ένας υπολογιστής επεξεργάζεται τις πληροφορίες. Με αυτό τον
τρόπο μπορούν να ανιχνευτούν όγκοι ή άλλες ανωμαλίες που είναι πολύ μικροί και δεν
μπορούν να παρατηρηθούν με την ακτινογραφία.
Ο εξεταζόμενος ακτινοβολείται με μεγάλη ποσότητα ακτίνων Χ.

14. ΜΑΣΤΟΓΡΑΦΙΑ
• Είναι ακτινολογική διαγνωστική εξέταση που χρησιμοποιείται με στόχο την
ανίχνευση καρκίνου του μαστού. Χρησιμοποιείται σχετικά μικρή
δόση ακτίνων Χ προκειμένου να διερευνηθούν πιθανές παθολογικές
αλλοιώσεις του μαστού. Τα φωτόνια που χρησιμοποιούνται είναι σχετικά
μικρών ενεργειών (20 με 30 KeV) για να απεικονίσουν πιο έντονα τις αλλαγές
στους ιστούς και το λίπος.

15. ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ
• Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, για να διαπιστωθεί η ύπαρξη
κοιλοτήτων, ραγισμάτων ή άλλων ελαττωμάτων στο εσωτερικό των μεταλλικών
αντικειμένων. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η ίδια με τη διαδικασία της
ακτινοδιαγνωστικής. Τα ελαττωματικά σημεία εντοπίζονται από το γεγονός ότι
προκαλούν μικρότερη απορρόφηση.

16. ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ
• Η αστρονομία ακτίνων Χ είναι ο κλάδος της αστρονομίας που ασχολείται
με την έρευνα των ακτίνων Χ που εκπέμπουν τα ουράνια αντικείμενα.
Επειδή οι ακτίνες Χ απορροφώνται από την ατμόσφαιρα είναι απαραίτητη η
αποστολή των ανιχνευτών σε μεγάλο υψόμετρο, με αερόστατα, πυραύλους
και δορυφόρους. Σήμερα είναι γνωστό ότι πηγές ακτίνων Χ είναι αστέρες
νετρονίων και μαύρες τρύπες. Η εκπομπή προκαλείται όταν αντικείμενα
βρεθούν σε ισχυρά βαρυτικά πεδία και θερμανθούν.

17. ΜΑΥΡΕΣ ΤΡΥΠΕΣ
• Θεωρητικά κανένα αντικείμενο πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων δεν θα μπορούσε να έχει αρκετή
ταχύτητα να διαφύγει από μια μαύρη τρύπα, συμπεριλαμβανομένου και του φωτός. Εξαιτίας αυτού, οι
μαύρες τρύπες δεν μπορούν να εκπέμψουν κανενός είδους φως ή άλλο στοιχείο που θα μπορούσε να
επιβεβαιώσει την ύπαρξή τους.
Τα πιο εμφανή αποτελέσματα πιστεύεται ότι προέρχονται από ύλη που πέφτει μέσα σε μια μαύρη
τρύπα, η οποία προβλέπεται ότι συγκεντρώνεται σε ένα εξαιρετικά θερμό και γρήγορα
περιστρεφόμενο δίσκο γύρω από τη μαύρη τρύπα, πριν εισέλθει σε αυτή.
Η τριβή ανάμεσα σε γειτονικές ζώνες αυτού του δίσκου τον θερμαίνουν τόσο, ώστε να ακτινοβολεί
μεγάλη ποσότητα ακτινών Χ. Η θέρμανση είναι εξαιρετικά αποτελεσματική και μπορεί να μετατρέψει
ακόμα και το 50% της ενέργειας ενός αντικειμένου σε ακτινοβολία.
Η ύπαρξη μαύρων τρυπών στο σύμπαν υποστηρίζεται και από τις αστρονομικές παρατηρήσεις,
ειδικά από τη μελέτη των σπερνόταν και των ακτινών Χ που εκπέμπουν ενεργοί γαλαξίες.

18. ΠΕΡΕΤΑΙΡΩ ΧΡΗΣΕΙΣ
• Μερικές εφαρμογές των laser ακτίνων-Χ: Παρακολούθηση μιας χημικής
διαδικασίας που εκτελείται πολύ γρήγορα για να παρατηρηθεί με άλλα μέσα.
Προσδιορισμός της δομής μορίων ή μικρών μοριακών ομάδων, ο οποίος δεν
μπορεί να πραγματοποιηθεί με μικρότερης έντασης πηγές. Παραγωγή και
μελέτη μια νέας κατάστασης της ύλης, που ονομάζεται "πυκνόθερμο πλάσμα"
(warm dense plasma), κατάσταση που πιθανώς βρίσκεται το εσωτερικό των
άστρων.

19. ΒΙΝΤΕΟ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΙΣ ΑΚΤΙΝΕΣ Χ
• https://www.youtube.com/watch?v=gsV7SJDDCY4

20. ΠΗΓΕΣ
• https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray#Radiographs
• https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%91%CE%BA%CF%84%CE%AF%CE%BD%CE%B5%CF%82_%CE%A7
• https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%91%CF%83%CF%84%CF%81%CE%BF%CE%BD%CE%BF%CE%BC%CE%
AF%CE%B1_%CE%B1%CE%BA%CF%84%CE%AF%CE%BD%CF%89%CE%BD_%CE%A7
• http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS/60/xray.html
• http://ebooks.edu.gr/new/course-main.php?course=dsgl-b134