السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
بسم الله الرحمن الرحيم
كيف تعمل أشعة اكس؟ X-ray
كيف تعمل الأشعة السينية؟
في عام 1895 اكتشف عالم ألماني اسمه ويليام رونتجن Wilhelm Roentgen اشعة أكس بينما كان يجرى تجربة تسليط شعاع الكتروني على أنبوبة تأين غازي gas discharge tube. لاحظ العالم رونتجن أن الشاشة الفوسفورية في المختبر بدأت تتوهج عند اصطدام شعاع الالكترونات عليها. هذه النتيجية في حد ذاتها لم تكن مدهشه حيث كان من المعلوم أن تتوهج الشاشة الفوسفورية بفعل الشعاع الالكتروني ولكن رونتجن احاط الانبوبة المفرغة بالواح سوداء سميكة لتتمكن من حجب الاشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الأنبوبة المفرغة، كما وضع رونتجن عدة اجسام بين الانبوبة والشاشة الفوسفورية وكانت النتيجة ان الشاشة الفوسفورية لازالات تتوهج. وحتى يتأكد من ان هناك اشعة جديدة هي التي اخترقت تلك الاجسام ووصلت للشاشة الفوسفورية قام رونتجن بتجربة اضافية وهي بأنه وضع يده امام الانبوبة المفرغة وشاهد على الشاشة الفوسفورية صورة لعظام يده،
لاحظ هنا ان رونتجن اكتشف اشعة جديدة هي اشعة اكس وفي نفس الوقت اكتشف احد اهم تطبيقاتها.
ما هي أشعة أكس؟
أشعة اكس في الأساس مثل الاشعة المرئية حيث انها جزء من الطيف الكهرومغناطيسي ولكن اشعة اكس تحمل طاقة أكبر من طاقة الاشعة المرئية بكثير. ولشرح ذلك دعنا نجري مقارنة بين الأشعة الرئية وأشعة اكس، يمكن التمييز بين هذين النوعين من الاشعة من حيث طاقة الفوتون أو الطول الموجي أو التردد وكل تلك الكميات ترتبط مع بعضعها البعض من خلال المعادلات التالية:
طاقة الفوتون = ثابت بلانك x التردد E = hv
التردد = سرعة الضوء / الطول الموجي v = C/L
تمتاز أشعة اكس بان طاقة فوتوناتها اكير من طاقة فوتونات الاشعة المرئية وهذا يعني أن ترددها كبير وطولها الموجي قصير.
السؤال الأن كيف أن الذرة التي تنتج الأشعة المرئية هي نفسها التي تنتج أشعة أكس؟
كلأ من الأشعة المرئية واشعة اكس تنتج من الانتقال الاكتروني بين مستويات الطاقة في الذرة. تشغل الالكترونات مستويات طاقة أو مدارات مختلفة حول النواة في الذرة وعندما ينتقل الكترون من مستوى طاقة عالى إلى مستوى طاقة منخفض ينطلق فوتون يحمل فرق الطاقة بين المستويين. تعتمد طاقة الفوتون المنبعث على الفرق بين مستويات الطاقة في الذرة فيمكن ان تكون طاقة الفوتون الناتج في مدى الاشعة المرئية فينتج ضوء مرئي ويمكن ان تكون طاقة الفوتون المنبعث في المدى الغير المرئي فينتج اشعة غير مرئية، اذا نستنتج أن ما يحدد طاقة الفوتون الناتج أو المنبعث من الذرة هو الانتقال الالكتروني بين مستويات الطاقة.
عندما يصطدم الفوتون المنبعث بذرة أخرى فإن تلك الذرة تمتص طاقة الفوتون من خلال احد الكتروناتها لينتقل الالكترون من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة اعلى لانه امتص طاقة اضافية. وشرط امتصاص الإلكترون طاقة الفوتون ان تكون طاقة الفوتون تساوي فرق مستويات الطاقة التي سينتقل لها الإلكترون (هذا شرط يعود إلى طبيعة الذرة بنية الذرة كما خلقها الله سبحانه وتعالى) واذا اختل هذا الشرط فلن يحدث امتصاص الفوتون من قبل الذرة.
الذرات التي تكون اجسامنا تتعامل مع الاشعة الكهرومغناطيسية (نقصد كل الاشعة المرئية والاشعة الغير مرئية) بنفس الآلية السابقة، فأشعة الراديو التي تحيط بنا لا تمتلك الطاقة الكافية لتنقل الكترونات الذرات من مستوى طاقة إلى مستوى طاقة اعلى لذلك فهذه الاشعة تعبر اجسامنا دون امتصاص لفوتوناتها. أما اشعة أكس ففوتوناتها ذات طاقة عالية تمكنها من ان تعبر كل الاشياء في طريقها ولكن بطريقة مختلفة عن اشعة الراديو حيث تستطيع اشعة اكس ان تمنح الكترونات الذرات الطاقة الكافية مما قد تسبب تلك الطاقة من تحرير الالكترونات من الذرة تماما كما يحدث في ذرات العناصر الخفيفة (عددها الذري قليل) حيث يستغل جزء من طاقة فوتون اشعة اكس من تحرير الالكترون من الذرة والجزء المتبقي يكسب الالكترون طاقة حركة ليغادر الذرة. ولكن في ذرات العناصر الثقيلة (لها عدد ذري كبير) فإنها تمتص طاقة اشعة اكس لوجود مستويات طاقة تتوافق مع طاقة فوتون اشعة اكس.
نستنتج مما سبق ان العناصر الخفيفة ذات ذرات صغيرة لا تمتص اشعة اكس وان العناصر الثقيلة ذات الذرات الكبيرة تمتص اشعة اكس.
الخلايا المكونة للجلد في اجسامنا تتكون من ذرات صغيرة وبالتالي لا تمتص اشعة اكس بينما ذرات الكالسيوم المكونة للعظام هي ذرات كبيرة وتمتص فوتونات اشعة اكس.
استخدامات اخرى لاشعة اكس
لاشعة اكس استخدامات جمة وفي مجالات عديدة فكما أن لاشعة اكس دور كبير في تطور علم الطب فقد لعبت هذه الاشعة دور كبير في مجال ميكانيكا الكم وعلم البلورات وعلم الفلك وفي مجال التطبيقات الصناعية تساخدم اشعة اكس كماسحات للكشف عن العيوب في المنتجات الصناعية وتعتبر اشعة اكس احد اهم المعدات المستخدمة في المطارات للكشف عن الاجسام المشبوهة.
هل اشعة اكس ضارة لنا؟
بالرغم من الفوائد الجمة التي وفرتها اشعة اكس في مساعدة الطبيب على تشخيص المريض واكتشاف كسور العظام دون الحاجة الى عمليات جراحية إلا أن اشعة اكس من الممكن ان تكون ضارة.
ففي اول استخدام اشعة اكس تعرض المريض والطبيب لجرعة زيادة من اشعة اكس التي سببت اعراض مرضية مثل التي تسببها العناصر المشعة على الجلد. والسبب في ذلك يعود إلى ان اشعة اكس هي في حد ذاتها اشعة متأينة ionization radiation. فعندما يصطدم الضوء العادي بالذرة فلا يحدث تاغيير يذكر على الذرة ولكن في حالة اشعة اكس تصطدم بالذرة فإنها تعمل على تحرير الكترونات الذرة وتحولها إلى أيون موجب وتقوم الالكترونات المتحررة بتحويل المذيد من الذرات المجاورة إلى ايونات بالتصادم معها.
الايونات اجسام مشحونه كهربياً وليست متعادلة مثل الذرات مما يسبب تفاعلات كيميائية غير طبيعية داخل الخلايا الحية ومن الممكن ايضا أن يحدث خلل في سلاسل حمض الـ DNA. حدوث خلل في الـ DNA قد يسبب موت لتلك الخلية مما يسبب الكثير من الأمراض الغير متوقعة أو ان تتحول الخلية الحية اذا لم تمت إلى خلايا سراطانية تنتشر في جسم الانسان لا سمح الله.
أي انه بالرغم من فوائد اشعة اكس فإن التعرض الأكثر من اللازم للاشعة له من الأثار التي لايحمد عقباها.
وبالرغم من كل ذلك تبى اجهزة اشعة اكس الاجهزة الاكثر امنا بين الخيارات المطروحة امام الطبيب لاستخدامها وان جهاز اشعة اكس لا غنى عنه في المستشفيات ويعتبر من اهم انجازات التقنية العلمية عبر العصور.
المصدر
الموقع التعليمى للفيزياء
الخميس 21 أغسطس - 18:18