เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เบื้องต้น

1. 1
แนะน�ำรังสีเอกซ์
(Introduction to X-rays)
_12-24 (001-016)P4.indd 1 2/8/13 12:41 PM

2. … 2 … เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เบื้องต้น
สเปกโทรสโกปี (spectroscopy) เป็นเทคนิคที่ศึกษาเกี่ยวกับอันตรกิริยา (interaction)
ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) กับสสาร (matter) เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
กระทบกับสสาร อันตรกิริยาที่เกิดขึ้นสามารถเกิดได้หลายปรากฏการณ์ ได้แก่
- การสะท้อน (reflection)
- การส่งผ่าน (transmission)
- การดูดกลืน (absorption)
- การเปล่งแสง (luminescence) ประกอบด้วย
- การเรืองแสง (phosphorescence)
- การวาวแสง (fluorescence)
- การกระเจิง (scattering)
- การหักเห (refraction)
- การเลี้ยวเบน (diffraction)
ผู ้ เ ขี ย นขอทบทวนเนื้ อ หาเกี่ ย วกั บ รั ง สี แ ม ่ เ หล็ ก ไฟฟ ้ า ให ้ ผู ้ อ ่ า นก ่ อ นแนะน� ำ ให ้ รู ้ จั ก
รั ง สี เ อกซ์ หลั ง จากนั้ น จะอธิ บ ายถึ ง การน� ำ เอารั ง สี เ อกซ์ ไ ปประยุ ก ต์ ใ ช้ ใ นการวิ เ คราะห์
สสารด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ ซึ่งจะเป็นประเด็นส�ำคัญในหนังสือเล่มนี้
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) เป็นคลื่นตามขวาง (transverse
r
wave) ประกอบด้วยสนามไฟฟ้า (electric field: E ) และสนามแม่เหล็ก (magnetic field:
r
B ) ที่มีการสั่นในแนวตั้งฉากกัน และทิศทางการเคลื่อนที่ (propagation of direction) ของ
คลื่นนั้นตั้งฉากกับการสั่นของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ดังแสดงในรูปที่ 1.1 คลื่น
แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ สามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศ
ได้ด้วยอัตราเร็วของแสง (speed of light) (c = 299,792,458 m/s ∼ 3 × 10 m/s) 8
_12-24 (001-016)P4.indd 2 2/8/13 12:41 PM

3. บทที่ 1 : แนะนำ�รังสีเอกซ์ …3…
รูปที่ 1.1 การสั่นและทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
สเปกตรัม (spectrum) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ที่มีความถี่และความยาวคลื่นในช่วงต่างกัน ถ้าเรียงล�ำดับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านี้จาก
ความถี่ต�่ำไปยังความถี่สูง หรืออีกนัยหนึ่ง เรียงล�ำดับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากความยาวคลื่น
สู ง ไปยั ง ความยาวคลื่ น ต�่ ำ จะได้ เ ป็ น สเปกตรั ม คลื่ น แม่ เ หล็ ก ไฟฟ้ า ต่ อ เนื่ อ งตามรู ป ที่ 1.2
ได้แก่ คลื่นวิทยุ (radio waves) คลื่นไมโครเวฟ (microwaves) รังสีอินฟราเรด (infrared)
แสงที่มองเห็นด้วยตาเปล่า (visible light) แสงอัลตราไวโอเลต (ultraviolet light) รังสี
เอกซ์ (X-rays) ประกอบด้วยรังสีเอกซ์พลังงานต�่ำ หรือซอฟต์เอกซเรย์ (soft X-rays)
กับรังสีเอกซ์พลังงานสูง หรือฮาร์ดเอกซเรย์ (hard X-rays) และรังสีแกมมา (gamma
rays) ตามล�ำดับ โดยที่ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น (wavelength: λ) ความถี่
(frequency: f ) และอัตราเร็วของแสง (speed of light: c) เป็นไปตามสมการ
ส�ำหรับความสัมพันธ์ระหว่างพลังงาน (energy: E) และความยาวคลื่น เป็นไปตามสมการ
เมื่อ h เป็นค่าคงที่ของพลังค์ (Planck’s constant) มีค่าประมาณ 6.626 x 10-34
จูล-วินาที
_12-24 (001-016)P4.indd 3 2/8/13 12:41 PM

4. … 4 … เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เบื้องต้น
รูปที่ 1.2 สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ปั จ จุ บั น เราสามารถพบเห็ น การใช้ ง านของคลื่ น แม่ เ หล็ ก ไฟฟ้ า ในหลาย ๆ แบบ
ได้แก่
คลื่ น วิ ท ยุ (radio waves) มีความถี่ช่วง 104-109 Hz หรือความยาวคลื่นช่วง
ตั้ ง แต่ 10 -1-10 5 เมตร เนื่ อ งจากคลื่ น ในช่ ว งความถี่ นี้ ส ามารถหั ก เหและสะท้ อ นได้ ใ น
ชั้ น บรรยากาศ จึ ง น� ำ มาใช้ ป ระโยชน์ ใ นการติ ด ต่ อ สื่ อ สารจากเครื่ อ งส่ ง ของสถานี ไ ปยั ง
เครื่องรับตามบ้าน มีการส่งสัญญาณ 2 ระบบ คือ ระบบเอเอ็ม (amplitude modulation:
AM) มีช่วงความถี่ 530-1600 kHz และระบบเอฟเอ็ม (frequency modulation: FM)
มีช่วงความถี่ 88-108 MHz
คลื่นไมโครเวฟ (microwaves) มีความถี่ช่วง 108-1012 Hz หรือความยาวคลื่น
ช่วงตั้งแต่ 100-10-3 เมตร พบได้ในเตาไมโครเวฟท�ำอาหาร และใช้ส่งสัญญาณโทรทัศน์
จากการที่ ค ลื่ น ไมโครเวฟไม ่ ส ะท ้ อ นกลั บ สู ่ ผิ ว โลกที่ ชั้ น บรรยากาศไอโอโนสเฟ ี ย ร ์ (iono-
sphere) จึงท�ำให้สามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลกได้ นอกจากนี้คลื่นไมโครเวฟ
ยังสะท้อนกับผิวโลหะได้ดีอีกด้วย จึงน�ำไปใช้ประโยชน์ในการเป็นเรดาร์ตรวจหาต�ำแหน่ง
ของอากาศยาน
รังสีอินฟราเรด (infrared) เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า รังสีใต้แดง มีความถี่ช่วง 1011-1014 Hz
หรื อ ความยาวคลื่ น ตั้ ง แต่ 10 -6-10 -3 เมตร ซึ่ ง มี ช ่ ว งความถี่ ค าบเกี่ ย วกั บ คลื่ น ไมโครเวฟ
_12-24 (001-016)P4.indd 4 2/8/13 12:41 PM

5. บทที่ 1 : แนะนำ�รังสีเอกซ์ …5…
วัตถุร้อนและสิ่งมีชีวิตสามารถแผ่รังสีอินฟราเรดได้ รังสีอินฟราเรดสามารถน�ำมาประยุกต์
ใช้ กั บ เส้ นใยน� ำ แสง ใช้ เ ป็ นรี โ มทคอนโทรลควบคุ ม การท� ำ งานของอุ ป กรณ์ จ ากระยะไกล
เช่น เครื่องรับโทรทัศน์ ใช้เกี่ยวกับการควบคุมอาวุธน�ำวิถีเคลื่อนที่ไปยังเป้าหมายได้แม่นย�ำ
ถูกต้อง
แสงทีมองเห็นด้วยตาเปล่า (visible light) มีชวงความถีกงกลางระหว่าง 1014-1015 Hz
่ ่ ่ ึ่
หรือความยาวคลื่นเฉพาะเป็น 3.8 x 10 - 7.6 x 10 เมตร หรือพลังงานในช่วง 1.63-3.26 eV
-7 -7
เป ็ น คลื่ น แม ่ เ หล็ ก ไฟฟ ้ า ที่ ม นุ ษ ย ์ ม องเห็ น ด ้ ว ยตาเปล ่ า สเปกตรั ม ของแสงที่ ม องเห็ น
ด้วยตาเปล่ามีความยาวคลื่นแตกต่างกัน ได้แก่ สีแดง (610-760 nm) สีส้ม (590-610 nm)
สีเหลือง (570-590 nm) สีเขียว (500-570 nm) สีน�้ำเงิน (450-500 nm) สีม่วง (380-450 nm)
แสงอัลตราไวโอเลต (ultraviolet light) เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า รังสีเหนือม่วง มีความถี่
ช่วง 1015-1018 Hz หรือความยาวคลื่นช่วงตั้งแต่ 10-10-10-7 เมตร เป็นรังสีตามธรรมชาติ
ส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งท�ำให้เกิดประจุอิสระและไอออนในบรรยากาศ
ชั้นไอโอโนสเฟียร์ รังสีอัลตราไวโอเลตสามารถท�ำให้เชื้อโรคบางชนิดตายได้ แต่มีอันตราย
ต ่ อ ผิ ว หนั ง จนถึ ง ขั้ น มี ผ ลท� ำ ให ้ เ ป ็ น มะเร็ ง ผิ ว หนั ง ถ ้ า ถู ก แสงนี้ ต ่ อ เนื่ อ งเป ็ น ระยะเวลานาน
แสงอัลตราไวโอเลตท�ำให้อิเล็กตรอนของอะตอมเกิดการเปลี่ยนระดับพลังงาน (electronic
transition) ซึ่งเป็นประโยชน์กับการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์
รังสีเอกซ์ (X-rays) มีความถี่ช่วง 1016-1022 Hz หรือความยาวคลื่นช่วงตั้งแต่ 10-14-
10-8 เมตร สามารถเคลื่อนที่ทะลุสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ หลักการสร้างรังสีเอกซ์ คือ ท�ำให้
อิเล็กตรอนเกิดความเร่ง หากยิงอิเล็กตรอนที่มีพลังงานมากเข้าไปชนอิเล็กตรอนในชั้นลึก ๆ
ของอะตอมจะท�ำให้ได้รังสีที่มีพลังงานมาก เรียกว่า ฮาร์ดเอกซเรย์ (hard X-rays) มี
ความยาวคลื่นช่วง 0.10-0.01 นาโนเมตร ถ้าอิเล็กตรอนที่ใช้ยิงมีพลังงานน้อย อิเล็กตรอน
นั้นจะเข้าไปในชั้นอะตอมได้ไม่ลึกนัก จะให้รังสีที่เรียกว่า ซอฟต์เอกซเรย์ (soft X-rays)
มีความยาวคลื่นช่วง 10-0.10 นาโนเมตร รังสีเอกซ์มีประโยชน์ทางการแพทย์ในการฉาย
ผ่านร่างกายเพื่อตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายใน ในวงการอุตสาหกรรมใช้ในการ
ตรวจหารอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะ ใช้เป็นอุปกรณ์ด่านตรวจในการตรวจหาวัตถุที่น่าสงสัย
และใช้ส�ำหรับการวิเคราะห์สสารซึ่งจะกล่าวถึงรายละเอียดต่อไปในบทที่ 3
รังสีแกมมา (gamma rays) มีความถี่ช่วง 1018-1022 Hz หรือความยาวคลื่นช่วง
ตั้งแต่ 10-14-10-10 เมตร ความยาวคลื่นของรังสีแกมมาสั้นกว่ารังสีเอกซ์ แต่มีบางช่วง
_12-24 (001-016)P5.indd 5 2/15/13 8:37 PM

6. … 6 … เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เบื้องต้น
ความยาวคลื่นที่คาบเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ อย่างไรก็ตาม รังสีแกมมาสามารถทะลุสิ่งกีดขวาง
ได้ ดี ก ว่ า รั ง สี เ อกซ์ รั ง สี แ กมมามี ส ภาพเป็ น กลางทางไฟฟ้ า ต่ า งกั บ รั ง สี บี ต า (beta ray)
(อิเล็กตรอนพลังงานสูง มีสภาพเป็นลบทางไฟฟ้า) และรังสีแอลฟา (alpha ray) (นิวเคลียส
ของอนุภาคฮีเลียม มีสภาพเป็นบวกทางไฟฟ้า) รังสีแกมมาไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและ
สนามแม่ เ หล็ ก อี ก ทั้ ง ยั ง ไม่ มี ม วลและเคลื่ อ นที่ ด ้ ว ยอั ต ราเร็ ว แสง รั ง สี แ กมมาเป็ น คลื่ น
แม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสของธาตุ โดยที่นิวเคลียสที่อยู่ใน
สถานะกระตุ ้ น กลั บ สู ่ ส ถานะพื้ น เรี ย กว ่ า การสลายตั ว (Decay) เนื่ อ งจากรั ง สี แ กมมา
มี อ� ำ นาจทะลุ ท ะลวงสู ง สามารถท� ำ ลายเซลล์ ข องสิ่ ง มี ชี วิ ต ได้ จึ ง น� ำ ไปใช้ ป ระโยชน์ ท าง
การแพทย์ในการท�ำลายเซลล์มะเร็ง
ในหัวข้อถัดไปในบทที่ 1 นี้ จะกล่าวถึงการค้นพบรังสีเอกซ์ ส่วนประกอบของหลอด
ก�ำเนิดรังสีเอกซ์ และชนิดของรังสีเอกซ์ ซึ่งโดยรวมจะเป็นการแนะน�ำให้รู้จักรังสีเอกซ์
อย่างละเอียดก่อนที่จะอธิบายถึงทฤษฎีของการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ในบทที่ 2 จากนั้นจะ
น�ำทฤษฎีดังกล่าวมาค�ำนวณหารูปแบบของการเลี้ยวเบนของสสารในบทที่ 3 และในบทที่
4 จะกล่าวถึงการน�ำรังสีเอกซ์ไปประยุกต์ใช้ในเทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ที่ใช้วิเคราะห์
สสารจริงในงานวิจัย
1.1 การค้นพบรังสีเอกซ์
รังสีเอกซ์ (X-rays) ถูกค้นพบครั้งแรกโดย วิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน (Wilhelm
Conrad Roentgen) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ใน ค.ศ. 1895 (ดูรูปที่ 1.3) ขณะก�ำลังศึกษา
เกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทดในห้องที่มืดสนิท เรินต์เกนสังเกตการเรืองแสงบนกระดาษที่เคลือบ
ด้วยสารแบเรียมแพลทิโนไซยาไนด์ (Barium platinocyanide: BaPt(CN)6) ซึ่งเป็นสาร
เรื อ งแสง (phosphor) ภายใต ้ รั ง สี อั ล ตราไวโอเลต แต ่ ใ นขณะที่ ท� ำ การทดลองนั้ น ไม ่ มี
รังสีอัลตราไวโอเลตอยู่เลย เรินต์เกนจึงสรุปว่าการเรืองแสงนั้นจะต้องมีสาเหตุมาจากรังสี
ชนิดใหม่ที่ออกมาจากหลอดรังสีแคโทด ผลการค้นพบที่น่าตื่นเต้นก็คือเมื่อเรินต์เกนใช้ฝ่ามือ
กั้นรังสีชนิดใหม่ เขาเห็นเงากระดูกมือของเขาปรากฏบนผนังห้องและเขายังได้ถ่ายภาพ
เอกซ์เรย์กระดูกมือของภรรยาอีกด้วยดังแสดงในรูปที่ 1.4 หลังจากทดลองประมาณ 2 เดือน
เขาได้ตีพิมพ์บทความที่เกี่ยวกับรังสีชนิดใหม่ซึ่งตั้งชื่อว่า รังสีเอกซ์ (X-rays) เนื่องจาก X
มีความหมายว่ายังไม่ระบุชนิด ผลงานการค้นพบรังสีเอกซ์ของเรินต์เกนท�ำให้ได้รับรางวัล
โนเบลสาขาฟิสิกส์ประจ�ำ ค.ศ. 1901
_12-24 (001-016)P4.indd 6 2/8/13 12:41 PM

7. บทที่ 1 : แนะนำ�รังสีเอกซ์ …7…
รูปที่ 1.3 ภาพถ่าย วิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน (ค.ศ. 1845-1923)
รูปที่ 1.4 ภาพเอกซเรย์ที่บันทึกไว้เป็นครั้งแรกของโลก เป็นภาพกระดูกมือของภรรยา
ของเรินต์เกนและแหวนแต่งงาน
_12-24 (001-016)P4.indd 7 2/8/13 12:41 PM

8. … 8 … เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เบื้องต้น
หลังจากการค้นพบรังสีเอกซ์ไม่นาน ก็มีการทดลองสมบัติความเป็นคลื่นของรังสีเอกซ์
หลายการทดลอง เช่น ใช้รังสีเอกซ์ส่องผ่านเกรตติง (grating) แต่ไม่พบการหักเหหรือเลี้ยวเบน
จนกระทั่ง แมกซ์ วอน เลาอี (Max Von Laue) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน เป็นผู้ค้นพบ
การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ผ่านผลึก (crystal) ของสสาร ผลงานชิ้นนี้ท�ำให้เขาได้รับรางวัล
โนเบลสาขาฟิสิกส์ใน ค.ศ. 1914 จากผลงานของเขาท�ำให้ทราบภายหลังว่ารังสีเอกซ์มีสมบัติ
เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วงความยาวคลื่นสั้นพอ ๆ กับระยะห่างระหว่างอะตอมซึ่งมีค่า
อยู่ในช่วง 2-4 Å อีกทั้งรังสีเอกซ์ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก
เนื่องจากรังสีเอกซ์มีอ�ำนาจทะลุทะลวงสูง แต่ไม่ผ่านสสารที่มีเลขอะตอมสูง ๆ จึงถูก
น�ำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างกว้างขวางโดยเฉพาะทางด้านการแพทย์ในการตรวจสิ่งผิดปกติ
ในร่างกาย เช่น กระดูกหักและสิ่งแปลกปลอมอื่น ๆ ที่อยู่ภายในร่างกาย
1.2 หลอดก�ำเนิดรังสีเอกซ์
แหล่งก�ำเนิดรังสีเอกซ์ที่ใช้ทั่วไปในปัจจุบัน คือ หลอดก�ำเนิดรังสีเอกซ์ (X-ray tube)
ดังแสดงในรูปที่ 1.5 ซึ่งมีหลายแบบตามลักษณะการใช้งาน แต่ละแบบจะมีหลักการท�ำงาน
และส่วนประกอบพื้นฐานเหมือนกัน 4 ส่วน คือ หลอดแก้วสุญญากาศ (vacuum tube)
ขั้วแคโทด (cathode) แหล่งจ่ายความต่างศักย์สูง (high voltage) ระดับกิโลโวลต์ และขั้ว
แอโนด (anode) พอสรุปได้ดังนี้
รูปที่ 1.5 ส่วนประกอบของหลอดก�ำเนิดรังสีเอกซ์
_12-24 (001-016)P4.indd 8 2/8/13 12:41 PM

9. บทที่ 1 : แนะนำ�รังสีเอกซ์ …9…
1. หลอดแก้วสุญญากาศ
หลอดสุญญากาศจะท�ำจากแก้วไพเร็กซ์ (pyrex glass) ภายในเป็นสุญญากาศ เพื่อ
ป ้ อ งกั น การสู ญ เสี ย พลั ง งานของอิ เ ล็ ก ตรอนจากการชนกั บ โมเลกุ ล ของอากาศในขณะที่
อิเล็กตรอนวิ่งจากขั้วแคโทดเข้าชนเป้าโลหะที่ขั้วแอโนด
2. ขั้วแคโทด
ขั้วแคโทดเป็นแหล่งก�ำเนิดอิเล็กตรอน ประกอบด้วยส่วนส�ำคัญ 2 ส่วนคือ ขดลวด
โลหะ (filament) และถ้วยโลหะส�ำหรับบังคับล�ำอิเล็กตรอน (metallic focusing cup) ส�ำหรับ
ขดลวดโลหะส่วนมากท�ำจากทังสเตน (tungsten) เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูงและมีสมบัติ
เหนี ย วสามารถยื ด เป็ นเส้ นยาวบางได้ (ปกติ จะมี ข นาดเส้ นผ่ า นศู นย์ กลางประมาณ 0.2
มิลลิเมตร) จึงเกิดการระเหยกลายเป็นไอน้อย และมีอายุการใช้งานยาวนาน เมื่อกระแสไฟฟ้า
วิ่งผ่านเส้นลวดทังสเตน จะท�ำให้เกิดความร้อนขึ้นจนถึงจุดที่สามารถปล่อยอิเล็กตรอนออกมา
จากเส้นลวดทังสเตน นั่นคืออะตอมของทังสเตนได้รับพลังงานความร้อน จนกระทั่งพลังงาน
ที่อิเล็กตรอนได้รับมีค่ามากกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอิเล็กตรอนกับอะตอม ท�ำให้อิเล็กตรอน
หลุดออกจากอะตอมเป็นอิสระ เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การปลดปล่อยอิเล็กตรอนแบบเทอร์-
มิออนิก (thermionic emission) เมื่อถ้วยโลหะมีศักย์ไฟฟ้า (voltage) เป็นลบจะผลัก
อิเล็กตรอนที่เกิดจากเส้นลวดทังสเตนให้เป็นล�ำอิเล็กตรอนแคบ ๆ วิ่งไปข้างหน้า
3. แหล่งจ่ายความต่างศักย์สูง
แหล่งจ่ายความต่างศักย์สูงเป็นส่วนที่ใช้ในการเร่งอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากขั้วแคโทด
เพื่อเข้าชนกับขั้วแอโนด ความต่างศักย์จะอยู่ในช่วง 10-80 กิโลโวลต์ ถ้าความต่างศักย์น้อย
เกินไปจะท�ำให้เกิดแค่เพียงรังสีเอกซ์แบบต่อเนื่อง (continuous X-rays) ถ้าความต่างศักย์มาก
จะท�ำให้เกิดรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ (characteristic X-rays) เพิ่มเข้ามาด้วยนอกเหนือจาก
รังสีเอกซ์แบบต่อเนื่อง รายละเอียดของชนิดของรังสีเอกซ์จะได้อธิบายต่อไปในหัวข้อที่ 1.3
4. ขั้วแอโนด
ขั้ ว แอโนดท� ำ หน ้ า ที่ เ ป ็ น เป ้ า รั บ อิ เ ล็ ก ตรอนจากขั้ ว แคโทด ซึ่ ง ปกติ จ ะประกอบด ้ ว ย
เป้าโลหะ (metal target) ที่มีเลขอะตอม (atomic number) สูง เช่น ทองแดง โมลิบดีนัม
โรเดียม และทังสเตน เนื่องจากก�ำลังของรังสีจะแปรผันตรงกับเลขอะตอม แผ่นเป้าโลหะ
ซึ่ ง หนาระดั บ มิ ล ลิ เ มตรนี้ จ ะท� ำ มุ ม กั บ แนวดิ่ ง ฝั ง อยู ่ ใ นแท่ ง โลหะทองแดงซึ่ ง ท� ำ หน้ า ที่ เ ป็ น
ขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าและตัวระบายความร้อนให้กับแผ่นเป้าโลหะ โดยปกติจะมีระบบระบาย
_12-24 (001-016)P5.indd 9 2/15/13 8:38 PM

10. … 10 … เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เบื้องต้น
ความร ้ อ นด ้ ว ยน�้ ำ (cooling water) เพื่ อ ระบายความร ้ อ นที่ เ กิ ด ขึ้ น จากการชนของ
อิ เ ล็ ก ตรอนบนเป ้ า โลหะ (> 99% จะกลายเป ็ น ความร ้ อ น และ < 1% จะเกิ ด เป ็ น
รั ง สี เ อกซ ์ ) ป ั จ จุ บั น มี เ ป ้ า โลหะที่ ห มุ น รอบตั ว ได ้ (rotating anode) โดยมี แ กนโลหะ
ยึดขั้วแอโนด โดยทั่วไป ขั้วแอโนดจะหมุนรอบตัวด้วยอัตราเร็วรอบประมาณ 3000 รอบ
ต่ อ นาที เมื่ อ ล� ำ อิ เ ล็ ก ตรอนวิ่ ง จากขั้ ว แคโทดเข้ า ชนขั้ ว แอโนดจะเกิ ด การปล่ อ ยรั ง สี เ อกซ์
ออกมาทางหน้าต่างที่ท�ำจากเบริลเลียม (beryllium) โดยรังสีเอกซ์ที่ออกมามี 2 ประเภท
คือ รังสีเอกซ์แบบต่อเนื่อง และรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ รายละเอียดของชนิดของรังสีเอกซ์
จะได้กล่าวในหัวข้อถัดไป
1.3 ชนิดของรังสีเอกซ์
รั ง สี เ อกซ์ ส ามารถเกิ ด จากการเร่ ง อนุ ภ าคอิ เ ล็ ก ตรอนให้ วิ่ ง ชนอะตอมของเป้ า
โลหะ ซึ่ ง เมื่ อ อิ เ ล็ ก ตรอนมี ค วามเร็ ว (ทั้ ง ขนาดและทิ ศ ทาง) เปลี่ ย นแปลงอย่ า งฉั บ พลั น
จะให้ พ ลั ง งานออกมาในรู ป ของรั ง สี เ อกซ์ แ บบต่ อ เนื่ อ ง (continuous X-rays) หรื อ
อาจจะเกิ ด ในเครื่ อ งเร ่ ง อนุ ภ าคพลั ง งานสู ง ซึ่ ง เป ็ น เครื่ อ งมื อ ชนิ ด หนึ่ ง ที่ อ าศั ย สนาม
แม่ เ หล็ ก ไฟฟ้ า ในการเร่ ง ให้ อ นุ ภ าคที่ มี ป ระจุ เ คลื่ อ นที่ ไ ปจนกระทั่ ง มี ค วามเร่ ง ปลดปล่ อ ย
คลื่ น แม่ เ หล็ ก ไฟฟ้ า ในท่ อ สุ ญ ญากาศ นอกจากนี้ รั ง สี เ อกซ์ ยั ง สามารถเกิ ด จากการ
เปลี่ยนชั้น (transition) ของอิเล็กตรอนวงนอก (outer orbit) ลงมาที่วงใน (inner orbit)
แล้วคายพลังงานออกมาในรูปรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ (characteristic X-rays)
1.3.1 รังสีเอกซ์แบบต่อเนื่อง
ในที่ นี้ จ ะอธิ บ ายถึ ง การเกิ ด รั ง สี เ อกซ์ แ บบต่ อ เนื่ อ งในหลอดรั ง สี แ คโทด รั ง สี
เอกซ์แบบต่อเนื่องเกิดจากการชนแบบไม่ยืดหยุ่น (inelastic collision) ของอิเล็กตรอน
กั บ อะตอมของสสาร เมื่ อ อิ เ ล็ ก ตรอนวิ่ ง ผ ่ า นใกล ้ นิ ว เคลี ย ส (เรี ย กอิ เ ล็ ก ตรอนนั้ น ว ่ า
incoming electron) อิ เ ล็ ก ตรอนตั ว นั้ น จะถู ก ดู ด โดยแรงทางไฟฟ ้ า (coulomb
force) ที่ เ กิ ด จากประจุ บ วกในนิ ว เคลี ย ส ท� ำ ให ้ ทิ ศ ทางการเคลื่ อ นที่ ข องอิ เ ล็ ก ตรอนที่ วิ่ ง
เข ้ า ชนนี้ เ บนเปลี่ ย นไปจากเดิ ม ความเร็ ว ของอิ เ ล็ ก ตรอนที่ วิ่ ง เข ้ า ชนลดลงอย ่ า งรวดเร็ ว
(เรี ย กอิ เ ล็ ก ตรอนที่ เ บนไปหรื อ ถู ก กระเจิ ง ว ่ า scattered electron) อิ เ ล็ ก ตรอนที่ มี
ความหน ่ ว งจะปลดปล ่ อ ยพลั ง งานออกมาในรู ป ของรั ง สี เ อกซ ์ แ บบต ่ อ เนื่ อ ง ดั ง รู ป ที่ 1.6
ตามทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ถ้าอนุภาคมีประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งจะแผ่พลังงานออกมา
_12-24 (001-016)P4.indd 10 2/8/13 12:41 PM