چگونه دستگاه اشعه ایکس کار می کند؟

همانند اکثر اختراعات ماندگار بشر، فناوری اشعه ایکس (اشعه X یا X-ray) کاملاً تصادفی کشف شد. در سال 1895، فیزیکدان آلمانی ویلهلم رونتگن، هنگام کار روی پرتوهای الکترون موجود در یک محفظه خلاء، این فناوری را کشف کرد و اختراع دستگاه اشعه ایکس را به نام خود ثبت نمود.

رونتگن در حین آزمایشات خود متوجه شد زمانی که پرتوهای الکترون به صفحه شیشه ای آغشته به فسفر تابیده می شود، نورانی می شوند. البته این مسئله آنقدرها هم عجیب نبود، چون مواد فلوئورسنت در واکنش به پرتوهای الکترومغناطیس برافروخته می شوند؛ ولی مسئله این بود که رونتگن دور لوله تخلیه را با مقوا پوشانده بود و طبعاً نباید پرتوها به صفحه فلوئورسنت تابیده می شدند.

رونتگن چند وسیله را بین لوله و صفحه قرار داد ولی صفحه همچنان روشن بود. عاقبت او دست خود را بین آن قرار داد و با تعجب استخوان های دستش را روی صفحه دید! در این تصادف جالب، یکی از پُر کاربردترین وسائل پزشکی اختراع شد.

اختراع بزرگ رونتگن به سرعت در عصر خود یکی از مهم ترین و بزرگترین پیشرفت های حاصل شده در زمینه پزشکی شناخته شد. این تکنولوژی در حال حاضر، تشخیص وضعیت استخوان های اسکلت بدن، غدد درون ریز، دستگاه گوارشی، رگ های خونی و… را از طریق عکس برداری به صورت فوق العاده آسان و بدون انجام کوچکترین عمل جراحی امکانپذیر کرده است.

در این مقاله شما می توانید با چگونگی اشعه ایکس و کارکرد دستگاه آن آشنا شوید.

اشعه X چیست؟

اشعه X شبیه همان نوری است که ما می بینیم. هر دو، انرژی الکترومغناطیس را توسط فوتون های نوری حمل می کنند. فوتون ها با تغییر مکان الکترون ها در اتم تولید می شوند. تنها تفاوت اشعه X و نور قابل رویت، در طول موج آنها است.

اشعه X دارای طول موجی است که چشم ما قادر به دیدن آن نیست. همانطور که می دانید الکترون ها در مدارهای مختلفی دور هسته اتم گردش می کنند. هرگاه یک الکترون به مدار پایین تری سقوط کند، مجبور می شود تا مقداری از انرژی خود را به صورت فوتون نوری آزاد کند.

زمانی که یک فوتون با یک اتم برخورد کند، اتم ممکن است انرژی فوتون را با فرستادن یک الکترون به سطح بالاتر جذب کند، البته به شرط اینکه این انرژی برای تغییر سطح الکترون کافی باشد.

امواج رادیویی نیز چون انرژی زیادی برای جابجایی الکترون های اتم ها ندارند، از بسیاری اجسام عبور می کنند. فوتون های اشعه X هم از بسیاری اجسام عبور می کنند، ولی با یک دلیل کاملاً متفاوت!

فوتون های اشعه X انرژی بسیار زیادی دارند. اتم های بزرگ چون دارای سطوح انرژی بالایی در مدارات خود هستند، بیشتر مایل می باشند که انرژی فوتون ها را جذب کنند و برعکس اتم های کوچک تمایل چندانی به جذب انرژی ندارند.

اغلب بافت های بدن ما دارای اتم های کوچکی هستند، ولی برخی قسمت ها مثل استخوان که اتم کلسیم دارند، تمایل زیادی به جذب فوتون های اشعه X دارند. البته کاربرد اشعه X محدود به تشخیص شکستگی استخوان ها نیست، بلکه برای تشخیص ترکیدگی لوله ها در ماشین آلات سنگین و نمایش محتویات چمدان ها در فرودگاه ها نیز بکار می رود. با این حال ما دستگاهی را بررسی خواهیم کرد که در بیمارستان ها استفاده می شود.

دستگاه تولید اشعه X

قلب این دستگاه از دو الکترود به نام های کاتد و آند تشکیل شده است که داخل لوله شیشه ای خالی از هوا (خلاء) قرار دارند. کاتد یک رشته بسیار داغ فلزی است. با عبور جریان الکتریکی، کاتد به حدی ملتهب می شود که الکترون ها از سطح آن به خارج پرتاب می شوند. در آن سوی لوله شیشه ای، صفحه مسطح آند (قطب مثبت) وجود دارد. اختلاف ولتاژ زیاد بین کاتد و آند باعث می شود تا الکترون ها از سطح کاتد به طرف آند پرتاب شوند.

این الکترون ها به خاطر انرژی فوق العاده زیادی که دارند، در برخورد به اتم های تنگستن باعث می شوند تا یکی از الکترون های لایه پایین (نزدیک به هسته) تنگستن، از مدار خود جدا شود. در این حالت، هسته اتم مجبور می شود یکی از الکترون های سطح بالا را به طرف خود جذب کند. با افتادن این الکترون از سطح بالاتر به پایین تر، انرژی اضافی آن به صورت فوتون های نور آزاد می شود. این فوتون ها همان اشعه X هستند.

الکترون های آزاد بدون اصابت به اتم نیز می توانند فوتون تولید کنند. در این روش، الکترونی که از مرکز اتم عبور می کند، به طرف هسته جذب می شود. این نزدیکی باعث می شود تا سرعت عبور الکترون کم شود و تغییر مسیر دهد. کم شدن سرعت الکترون باعث از دست دادن مقداری از انرژی جنبشی آن می شود که آن را نیز به صورت فوتون آزاد کند.

برخورد الکترون ها به سطح فلز تنگستن، گرمای بسیاری تولید می کند. برای حل این مشکل و جلوگیری از ذوب شدن فلز، یک موتور الکتریکی در زیر دستگاه تعبیه شده که صفحه تنگستن را می چرخاند. روغن خنکی هم دور تا دور لوله خلاء قرار دارد که وظیفه خنک کردن سیستم را بر عهده دارد. کل دستگاه نیز در یک محفظه ضخیم از فلز سرب قرار می گیرد تا از خروج و پخش اشعه X به اطراف جلوگیری شود. یک سوراخ فیلتردار هم برای هدایت اشعه تولید شده به طرف بدن بیمار تعبیه شده است.

در طرف دیگر یک صفحه حساس به اشعه X (فیلم عکاسی)، اشعه ها را ضبط می کند. پزشکان به این صفحه، نگاتیو می گویند. روی نگاتیو، بافت های سخت مثل استخوان به رنگ سفید و بافت های نرم به رنگ سیاه دیده می شوند. پزشکان با بررسی این نگاتیو محل دقیق و نوع شکستگی استخوان را پیدا می کنند.

آیا اشعه ایکس برای انسان ضرر دارد؟

تا مدت ها پزشکان و بیماران از اشعه X بدون محافظ استفاده می کردند، به همین دلیل بسیاری از آنها به سرطان تشعشع دچار شدند. بروز مشکل به این دلیل است که اشعه X حاوی نوعی پرتو تجزیه کننده (یونیزاسیون) است. برخورد پرتوهای نور مرئی به بافت های بدن، آسیبی به آنها وارد نمی سازد، ولی اشعه X به خاطر قدرت فوق العاده ای که دارد، به هنگام برخورد به بافت بدن الکترون های بافت را جدا می کند و اتم را تبدیل به یون می کند.

یونیزه شدن اتم های بدن باعث بروز مشکلاتی در سلول های بدن و DNA می شوند. با مرگ یا خرابی DNA، مشکل سرطان بروز می کند و حتی این مشکل توسط اسپرم یا تخم به نسل های بعدی منتقل می شود.

با تمام این احوالات، دستگاه های تولید اشعه X از گرانبهاترین ابزارها محسوب می شوند و اغلب تحقیقات و معالجات پزشکی به این وسیله ارزشمند وابسته هستند.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «چگونه دستگاه اشعه ایکس کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.