Rentgeno spindulių prasiskverbimas

Kai šviesa nebegali prasiskverbti

Turbūt visi esame matę rentgeno nuotrauką – gal po nesėkmingo slidinėjimo ar futbolo rungtynių. Žiūri į tą keistą juodai baltą vaizdą ir stebiesi: kaip, po galais, gydytojas gali matyti mano kaulus pro odą ir raumenis? Atsakymas slypi rentgeno spindulių unikaliose savybėse, kurių neturi įprasta šviesa. Skirtingai nei matomoji šviesa, kuri atsimušdama nuo paviršių leidžia mums matyti pasaulį, rentgeno spinduliai gali prasiskverbti pro daugelį medžiagų, kurias laikome visiškai nepermatomomis.

Rentgeno spinduliai – tai elektromagnetinės bangos, labai panašios į šviesą, tik su neįtikėtinai trumpu bangos ilgiu. Jų bangos ilgis yra maždaug 0,01 iki 10 nanometrų, tai yra tūkstančius kartų trumpesnis nei matomos šviesos. Būtent šis trumpas bangos ilgis suteikia jiems galią prasiskverbti pro medžiagas, kurios sustabdytų bet kokią šviesą.

Kodėl vieni daiktai pralaidi, o kiti ne

Čia prasideda įdomiausia dalis. Rentgeno spinduliai nesielgia su visomis medžiagomis vienodai. Kai kurios jų beveik visiškai pralaidi, kitos – tarsi betoninė siena. Ir tai nėra atsitiktinumas.

Viskas priklauso nuo atomų, iš kurių sudaryta medžiaga. Kiekvienas atomas turi branduolį su protonais ir elektronų debesiuką aplink jį. Kai rentgeno spindulys bando prasiskverbti pro medžiagą, jis susiduria su šiais elektronais. Ir čia prasideda kova – arba spinduliui pavyks prasiskverbti, arba jis bus sugeriamas ar išsklaidomas.

Sunkieji elementai, tokie kaip švinas ar kalcis (iš kurio sudaryti mūsų kaulai), turi daug protonų branduolyje ir atitinkamai daug elektronų. Tai reiškia, kad rentgeno spinduliams yra daug daugiau kliūčių kelyje. Štai kodėl švinas taip puikiai blokuoja rentgeno spindulius – jo atomai tiesiog perpildyti elektronų, kurie sugeria beveik visą spinduliavimą.

Lengvosios medžiagos, tokios kaip vanduo, oras ar minkštieji audiniai mūsų kūne, turi mažiau elektronų. Rentgeno spinduliai pro jas prasprūsta kaip peilis pro sviestą. Būtent todėl rentgeno nuotraukoje matome kaulus (balti), bet ne raumenis ar odą (tamsūs arba beveik nematomi).

Trys būdai, kaip sustabdyti rentgeno spindulį

Kai rentgeno spindulys keliauja pro medžiagą, gali įvykti trys pagrindiniai dalykai. Kiekvienas iš jų įdomus savaip.

Pirmas variantas – fotoelektrinis efektas. Rentgeno spindulys tiesiogiai atsitrenkia į elektroną ir perduoda jam visą savo energiją. Elektronas išlekia iš atomo, o pats rentgeno spindulys tiesiog išnyksta. Tai dažniausiai nutinka žemesnės energijos rentgeno spinduliams ir sunkiųjų elementų atomuose. Būtent šis efektas padaro švino apsaugą tokią efektyvią.

Antras variantas – Komptono sklaida. Čia rentgeno spindulys tarsi atsimušą nuo elektrono kaip biliardo kamuoliukas. Jis praranda dalį energijos, pakeičia kryptį ir keliauja toliau, tik jau silpnesnis. Išmuštas elektronas taip pat išlekia iš atomo. Šis procesas vyrauja vidutinės energijos rentgeno spinduliams.

Trečias variantas – porų susidarymas, bet jis įvyksta tik labai aukštos energijos spinduliams (virš 1,02 MeV). Rentgeno spindulys, praeidamas šalia atomo branduolio, tiesiog virsta dviem dalelėmis – elektronu ir pozitronu. Tai jau kvantinės fizikos magija, kuri medicininėje diagnostikoje beveik nepasitaiko.

Kodėl storesnė medžiaga geriau stabdo

Įsivaizduokite, kad bandote pereiti per mišką. Jei medžių nedaug ir jie reti, greičiausiai praeisite nesusižeidę. Bet jei miškas tankus ir platus, tikimybė atsitrenkti į medį labai išauga. Tas pats vyksta su rentgeno spinduliais.

Kiekvienas medžiagos sluoksnis turi tam tikrą tikimybę sustabdyti rentgeno spindulį. Jei medžiaga plonesnė, daugiau spindulių prasiskverbs. Jei storesnė – daugiau bus sugerta. Šis ryšys aprašomas eksponentiniu dėsniu, kuris reiškia, kad kiekvienas papildomas medžiagos sluoksnis sumažina likusių spindulių kiekį procentaliai.

Pavyzdžiui, jei 1 cm aliuminio sugerbia 50% rentgeno spindulių, tai 2 cm sugerbs ne 100% (kaip galėtume pagalvoti), o 75%. Pirmas centimetras sugerbia pusę, o antras – pusę iš likusios pusės. Trečias centimetras sugerbs dar pusę iš to, kas liko, ir taip toliau. Todėl norint visiškai sustabdyti rentgeno spindulius, reikia tikrai storos medžiagos arba labai tankios, kaip švinas.

Kaip energija keičia žaidimo taisykles

Ne visi rentgeno spinduliai vienodi. Jų energija gali skirtis šimtus kartų, ir tai visiškai pakeičia jų elgesį. Žemos energijos rentgeno spinduliai (apie 20-30 keV) naudojami mamografijoje – krūties audinio tyrimui. Jie lengvai sugeriami, todėl puikiai parodo net nedidelius tankio skirtumus minkštuosiuose audiniuose.

Vidutinės energijos spinduliai (50-100 keV) – tai standartinė medicininė diagnostika. Jie pakankamai stiprūs, kad prasiskverbtų pro kūną, bet pakankamai silpni, kad būtų sustabdyti kaulų. Būtent todėl įprastoje rentgeno nuotraukoje kaulai matosi taip aiškiai.

Aukštos energijos rentgeno spinduliai (virš 100 keV) naudojami kompiuterinėje tomografijoje ir pramonėje. Jie gali prasiskverbti pro storesnius objektus ir mažiau sugeriami. Bet čia kyla problema – jie prasiskverbia per gerai, todėl sunkiau gauti kontrastingą vaizdą. Tai tarsi bandymas fotografuoti per pernelyg skaidrų stiklą.

Praktinis panaudojimas už medicinos ribų

Nors dažniausiai apie rentgeno spindulius girdime medicinos kontekste, jų prasiskverbimo savybės naudojamos ir daugelyje kitų sričių. Oro uostuose saugumo skeneriai naudoja rentgeno spindulius, kad pamatytų, kas slepiasi jūsų lagamine. Skirtingos medžiagos sugeria spindulius skirtingai, todėl operatorius ekrane mato spalvotą vaizdą – organinės medžiagos viena spalva, metalai kita, o sprogmenys turi būdingą „parašą”.

Pramonėje rentgeno spinduliai naudojami suvirinimo siūlių tikrinimui. Galite turėti puikiai atrodantį suvirinimą iš išorės, bet viduje gali būti oro burbuliukų ar įtrūkimų. Rentgeno nuotrauka tai atskleis akimirksniu. Lėktuvų gamyboje kiekviena kritinė dalis tikrinama būtent taip – niekas nenori, kad sparno konstrukcijoje būtų paslėptų defektų.

Meno ekspertai naudoja rentgeno spindulius, kad pamatytų, kas slepiasi po dažų sluoksniais senuose paveiksluose. Kartais po vienu paveikslu aptinkamas visai kitas kūrinys – menininkai anksčiau taip taupydavo drobes. Rentgeno spinduliai taip pat padeda nustatyti, ar paveikslas autentiškas, ar klastotė.

Netgi maisto pramonėje rentgeno technologija naudojama užteršimui aptikti. Jei į jūsų mėgstamą šokoladą atsitiktinai pateko metalo skeveldrėlė, rentgeno skeneris tai pastebės greičiau nei bet kuris žmogus.

Apsauga nuo nematomos grėsmės

Kadangi rentgeno spinduliai gali prasiskverbti pro daugelį medžiagų, kaip gi nuo jų apsisaugoti? Čia svarbu suprasti, kad nėra vienos universalios apsaugos. Viskas priklauso nuo spindulių energijos ir nuo to, kiek apsaugos jums reikia.

Švinas – klasikinis pasirinkimas. Dėl didelio atomo skaičiaus (82 protonai) jis puikiai sugerbia rentgeno spindulius. Net kelių milimetrų storio švino lakštas gali sustabdyti daugumą medicininėje diagnostikoje naudojamų spindulių. Todėl rentgeno kabinete gydytojas užsimeta švininę prijuostę, o jūsų kūno dalys, kurių nereikia švitinti, uždengiamos švininėmis apsaugomis.

Betonas – pigesnis variantas didelėms patalpoms. Nors betonas lengvesnis už šviną, storos sienos (kartais iki metro) puikiai apsaugo. Rentgeno kabinetai dažnai turi storesnės betono sienas nei kiti medicinos įstaigos kambariai.

Volframas – dar vienas sunkusis metalas, kartais naudojamas vietoj švino. Jis net šiek tiek efektyvesnis už šviną, bet brangesnis.

Įdomu tai, kad paprastas vanduo ar plastikas taip pat gali būti naudojami apsaugai, tik jų reikia daug daugiau. Kai kuriose situacijose naudojami vandens rezervuarai kaip apsauginė barjera – vanduo pigus ir nesudėtingas, tiesiog reikia didelio kiekio.

Kai rentgeno spinduliai sutinka medžiagą – galutinė akistata

Grįžkime prie pagrindinio klausimo – kas gi iš tiesų nulemia, ar rentgeno spindulys prasiskverbs pro medžiagą? Tai sudėtinga trijų veiksnių šokio choreografija.

Pirma, medžiagos atominė sudėtis. Sunkesni elementai su daugiau elektronų – geresnė kliūtis. Lengvesni elementai – beveik skaidrus. Todėl jūsų kaulai (kalcis, atomo skaičius 20) matosi rentgeno nuotraukoje, o plaučiai (daugiausia vanduo ir oras) – ne.

Antra, medžiagos tankis. Net jei turite tą pačią medžiagą, jos tankis svarbu. Suspaustas oras sustabdys daugiau spindulių nei įprastas atmosferinis oras. Būtent todėl kompiuterinėje tomografijoje galima atskirti skirtingus minkštuosius audinius – jie turi šiek tiek skirtingą tankį.

Trečia, spindulių energija. Aukštesnės energijos spinduliai prasiskverbia geriau. Tai kaip skirtumas tarp mėtymo kamuoliuku ir šaudymo kulka – kulka prasiskverbs pro daug daugiau kliūčių.

Šių trijų veiksnių sąveika ir lemia galutinį rezultatą. Medicinos fizikai kruopščiai parenka tinkamą rentgeno spindulių energiją kiekvienam tyrimui. Per daug energijos – negausite kontrastingo vaizdo. Per mažai – spinduliai nepasieks detektoriaus. Reikia rasti aukso vidurį.

Ir štai ko tikrai įdomu: rentgeno spindulių prasiskverbimas nėra viskas arba nieko reikalas. Tai ne taip, kad spindulys arba praeina, arba ne. Iš milijono spindulių, kuriuos sukuria rentgeno aparatas, dalis prasiskverbs, dalis bus sugerta, dalis išsibarstys. Būtent šis sudėtingas pasiskirstymas ir sukuria tą vaizdą, kurį matome rentgeno nuotraukoje – visus tuos pilkumo atspalvius tarp juodos ir baltos.

Taigi, kai kitą kartą žiūrėsite į rentgeno nuotrauką, prisiminkite – tai ne tiesiog nuotrauka, o sudėtingos atominio lygio sąveikos rezultatas, kuris leidžia mums pamatyti tai, kas paprastai paslėpta nuo mūsų akių.