Röntgenikiirgus

Röntgenikiirgus on elektromagnetkiirgus lainepikkuste vahemikus 0,01–10 nm. Seega on röntgenikiirgus väiksema lainepikkuse ja suurema energiaga kui nähtav valgus ja ultraviolettkiirgus ning suurema lainepikkuse ja väiksema energiaga kui gammakiirgus.

Kuna röntgenikiirguse energia on suurem ja lainepikkus väiksem kui nähtaval valgusel, siis läheb see ainetest paremini läbi kui valgus, võimaldades näha seda, mida valguse abil näha ei saa. Seetõttu on röntgenikiirgus kõige tuntum kasutuse tõttu meditsiinis, kus sellega tehakse röntgenipilte. Röntgenikiirgus on nimetuse saanud Wilhelm Conrad Röntgeni järgi, kes seda nähtust esimesena põhjalikumalt uuris.

Röntgenikiirgus liigitatakse pidurdus- ehk pärsskiirguseks ja karakteristlikuks kiirguseks.

Pärsskiirgus tekib suure energiaga elektronide pidurdumisel metallis, näiteks röntgenitoru anoodis, kui elektron annab osa oma kineetilisest energiast ära röntgenikiirgust kandvatele footonitele. Pärsskiirguse spekter on pidev.

Kui langeva elektroni energia on piisav aatomi ioniseerimiseks, siis jääb aatomi sisemisest elektronkihist lahkunud elektronist alles auk. Mingi väga lühikese (femtosekundi suuruses) aja pärast täidab selle augu mõni kõrgema energiaga elektron ja kaotatud energia antakse ära karakteristliku kiirguse footonina. Kuna aines elektronkihtidel olevate elektronide energia on kvanditud, siis on ka tekkiva kiirguse spekter diskreetne.

Avastamine

Röntgenikiirgus avastati katsetes Crookesi toruga, mille konstrueeris umbes 1870. aastal inglise füüsik William Crookes. See on klaastoru, kus katoodi ja anoodi vahele rakendatakse kõrge pinge, et siis jälgida gaaslahendust. Tugevas väljas kiirendatakse elektrone suure energiani ja kui need tabavad anoodi või seadme korpust, tekkib kõrvalmõjuna röntgenikiirgus.

Röntgenikiirgusega kaasnevaid efekte märkasid juba toonased teadlased. Näiteks märkasid mitmed teadlased sõltumatult, et läheduses olnud fotoplaatidele tekkisid varjud. Johann Hittorfi ja William Crookesi konstrueeritud elektronkiiretorudes, mida ka Wilhelm Conrad Röntgen oma katsetes kasutas, tekib röntgenikiirgus, mida tõestati Crookesi ning alates 1892. aastast Heinrich Hertzi ja tema õpilase Philipp Lenardi katsetes fotoplaatide mustumisega, ilmselt aga teadvustamata avastuse tähtsust. Ka Nikola Tesla katsetas alates 1887. aastast elektronkiiretorudega ja tekitas seejuures röntgenikiirgust, kuid ei avaldanud oma tulemusi. Väidetakse ka, et röntgenikiired avastas juba 1881. aastal ukraina päritolu Austria teadlane Johann Puluj.

Wilhelm Conrad Röntgen, röntgenikiirte avastaja

Wilhelm Conrad Röntgen avastas röntgenikiirguse eespool nimetatud teadlastest sõltumatult. Ta vaatles röntgenikiirgust esimest korda Würzburgi Julius Maximiliani Ülikooli füüsikainstituudis hilisel reede õhtul 8. novembril 1895, kui teenindavat personali enam majas ei olnud. Elektronkiiretoru lähedal fluorestseerus selle töötamise ajal baariumplaatinatsüaniidist ekraan. Helendus ei lakanud ka siis, kui ta toru musta papiga kinni kattis. Järgnenud seitsme palavikulise nädala jooksul, mil Röntgen harva laborist lahkus, selgus, et põhjuseks on kiirgus, mis lähtub sirgjooni mööda gaaslahendustorust, see heidab varje, magnet ei kalluta seda kõrvale ja palju muud. 28. detsembril 1895 esitas Röntgen avaldamiseks töö "Über eine neue Art von Strahlen".

Röntgeni teene on see, et ta sai vastavastatud kiirte tähtsusest kohe aru ning uuris neid esimesena teaduslikult. Röntgeni kuulsusele aitas kindlasti kaasa see, et ta tegi röntgeniülesvõtte oma abikaasa käelabast, mis sisaldus tema esimeses publikatsioonis röntgenikiirguse kohta. See kuulsus tõi talle 1901 Nobeli füüsikaauhinna, kusjuures Nobeli auhinna komitee tõstis esile avastuse praktilist tähtsust. Röntgen nimetas oma avastuse X-kiirteks. X - sest ta ei teadnud, kas kiirgus on elektromagnetiline või aineosakestest koosnev.

Enne 1912. aasta niinimetatud Max von Laue eksperimenti (teostasid Walter Friedrich ja tema assistent Paul Knipping), kristalli kiiritamist röntgenkiirgusega, polnud (teadlastele) selge, kas röntgenkiirgus on üks elektromagnetkiirgustest või mitte. (Arvati, et tegemist on mingite osakeste vooga vms) Alles siis selgus, et kiirgus tekitab mineraalide kristallstruktuuri tõttu difraktsiooni. Selle teema kohta saab lähemalt lugeda artiklist röntgenstruktuuranalüüs.

Nimetus "röntgenikiired" pärineb anatoom Albert von Köllikerilt, kes pani selle ette 23. jaanuaril 1896. Ajendiks oli Röntgeni esimene avalik ettekanne Köllikeri asutatud Würzburgi füüsika-meditsiiniseltsi (Physikalisch-medizinische Gesellschaft zu Würzburg) kutsel. Mõnes keeles, sealhulgas inglise keeles, on jäädud esialgse nimetuse juurde.

Ühikud

Kuna röntgenikiirgus on elektromagnetkiirgus, võib analoogiliselt mõõta röntgenikiirguse footoni energiat või kiirguse radiomeetrilisi suurusi, näiteks intensiivsust.

Röntgenikiirguse puhul mõõdetakse veel kiirguse ioniseerimisvõimet SI-ühikutes kulonit kilogrammi kohta. Röntgen (R) on iganenud traditsiooniline kiiritatuse ühik, mis vastab kiiritatusele, mis tekitab ühikulise elektrostaatilise laengu kuupsentimeetris kuivas õhus (1,00 R = 2,58×10–4 C/kg).

Neeldunud energia doosi mõõdetakse greides (Gy = J/kg), mis on võrdne neeldunud energiaga ühikulise massiga kehas.

Meditsiinis on tähtsam mõõta kiirguse mõju kui kiirgusega kantavat energiat. Mõõdetakse kahte suurust:

• ekvivalentdoos = neeldunud doos × kiirguse kaalufaktor. Neeldunud doos on võrdeline neeldunud energiaga. Kiirguse kaalufaktor röntgenikiirguse, gammakiirguse ja beetakiirguse jaoks on 1. Ekvivalentdoosi ühik on siivert tähisega "Sv" rootsi füüsiku Rolf Maximilian Sieverti järgi;
• efektiivdoos iseloomustab kiirguse mõju konkreetsele koetüübile. Mõõdetakse samuti siivertites. Saadakse ekvivalentdoosi korrutamisel koe tüüpi iseloomustava faktoriga.

Mõõtmine

Röntgenikiirguse detektorid põhinevad kolmel tööpõhimõttel:

• fotokeemiline reaktsioon – kiirguse kvandi mõjul toimub keemiline reaktsioon. Näiteks fotofilmil või fotoplaadil;
• fotoluminestsents – aine võib neelata langeva röntgenifootoni ja kiirata uue footoni mõne teise lainepikkusega. Tekkinud kiirgus võib olla ka nähtavas piirkonnas;
• sisemine või väline fotoefekt – langev kiirgus lööb elektroni anoodist välja või viib elektroni kõrgemale energianivoole.

Kõigepealt töötati välja fotokeemilised meetodid. Nendega seotud suurim probleem oli vajalike keemiliste ühendite kõrge hind (muuhulgas läks vaja hõbedat), kui ka kõrge kiirguse tase, mida läks fotokeemilise reaktsiooni läbiviimiseks vaja. Meditsiinirakendustes on tänapäeval kasutusel fotoluminestsents ja pooljuhid kombineeritult. Röntgenikiired langevad plaadile, kus need neelatakse ja saadud energiaga kiiratakse nähtava valguse footoneid, mida saab CCD-kaameratega jäädvustada.

Geigeri loendur

Geigeri loenduri tööpõhimõtte skeem

Geigeri-Mülleri loendur töötab välise fotoefekti põhimõttel. Kinnises anumas on gaas, silindriline katood ja juhe anoodiks. Anoodi ja katoodi vahele rakendatakse suur pinge ning kui röntgeni footon siseneb anumasse ja ioniseerib gaasi, tekib ioon ja elektron, mida väli kiirendab anoodi suunas. Kiirenev elektron põrkub teel veel teiste gaasimolekulidega ka neid ioniseerides. Nii tekib hetkeks vool ja neid vooluimpulsse Geigeri-Mülleri loendur loendab. Kui anuma sisendava ette panna difraktsioonivõre, on võimalik loendurisse jõudvaid footoneid eraldada energia järgi.

Rakendus

Röntgenikiirgusel on suur tähtsus meditsiinis, kus organismi eri kudede erineva neelamisteguri tõttu on võimalik näha siseelundeid. Veel kasutatakse röntgenikiirgust ravis vähi vastu, proovides tugeva kiirgusega lõhkuda vähirakkude struktuuri.

Röntgenikiirguse detekteerimisel on ka suur tähtsus radioaktiivsete ainete uurimisel ja astronoomial. Difraktsioonivõre tööpõhimõtte abil saab röntgenikiirgusega uurida kristallide siseehitust (röntgenstruktuuranalüüs). Samuti kasutas röntgenikiirgust edukalt eelmise sajandi alguses Henry Moseley uurides keemiliste elementide aatomite ehitust. Ta leidis keemiliste elementide, peamiselt metallide, aatomeid suure energiaga elektronidega pommitades (kiire elektron lööb tuumale lähimast elektronkihist elektroni välja, mille täidab peagi elektron välimistest kihtidest, kiirates iseloomulikku ehk karakteerset röntgenikiirgust) kindla seaduspärasuse, Moseley seaduse – vastava keemilise elemendi kiiratav karakteerne (just sellele keemilisele elemendile ainuomane) röntgenikiirgus, täpsemalt selle kiirguse sageduse ruutjuur on kindlas lineaarses seoses elementide järjekorranumbriga Z. Ehk teisisõnu: karakteerne kiirgus oleneb üksnes aatomituumas olevast laengust. Ta leidis, et Z, aatomnumber, perioodilisustabeli järjekorra number ongi tuuma laengu arv, millest sõltuvad sisekihi elektronide kiirguse lainepikkused. Selle abil parandas ja selgitas ta keemiliste elementide perioodilisussüsteemi. Ta kinnitas füüsika poolepealt keemia seisukohti, seletades faktiliselt, katsetega tolleaegsete tippfüüsikute Niels Bohri, Ernest Rutherfordi ja Antonius van den Broeki ettekujutusi, mudeleid ja hüpoteese aatomi ehituse kohta.

Röntgenikiirgust kasutatakse veel järgmistes valdkondades:

• astronoomias uuritakse taevakehade ehitust nende kiirguse abil;
• röntgenmikroskoopia kasutab väga väikeste objektide vaatlemiseks röntgenikiirgust;
• tööstuslik radiograafia kasutab röntgenikiirgust tööstuslike detailide kontrollimiseks – näiteks keevituste kvaliteedi hindamiseks;
• röntgenikiirgusega saab leida ülevärvitud maalide värvikihtide alt esialgseid pilte, sest mõned kasutatud värvid sisaldavad röntgenikiirgust paremini neelavaid raskmetalle;
• riigipiiridel ja lennujaamades kasutatakse tihti röntgenikiiri, et pagasi ja sõidukite seest kiirelt leida keelatud esemeid;

Mõju tervisele

Kiirguse mõju tervisele jaotatakse otseseks ja kaudseks. Mõlemad kahjustavad valkude struktuuri:

• otsene mõju on kiirguse neeldumisel vabanenud suure energiaga osakeste mõju otse valkude ja DNA molekulidele;
• kaudseks mõjuks nimetatakse kiirete elektronide mõju molekulidele. Tekib vee radiolüüs ja vabad radikaalid kahjustavad valgumolekule.

Suure doosi tagajärjeks on kiiritushaigus ja surm. Väikse doosi mõju on esmapilgul väga raske märgata. Kahjustus võib olla ühes rakus ja toime võib hilineda.

Juba 1910. aastal teati, et röntgenikiirgus võib põhjustada vähki haigestumist.

Et kaitsta inimesi või seadmeid röntgenikiirte eest, kasutatakse tihti pliist varjestust, sest see on ühtaegu tihe ja kättesaadav. Mida tihedam on aine, seda suurem on tõenäosus interaktsiooniks footoni ja aatomi vahel ning seda paremat varjestust see pakub.

Vaata ka

• Röntgenfilter

Välislingid

• Röntgenitoru tööpõhimõtet selgitav õppevideo
• Karakteristliku röntgenikiirguse teke ja kasutus elementanalüüsiks
• Keemiliste elementide karakteersete röntgenikiirguste arvväärtused
• inimene.ee – kiiritushaigusest
• alara.ee – veel selgitust röntgenikiirgusest üldiselt
• "Nähtamatu ohuallikas Eestimaa pinnases" Eesti Loodus 2005/5 – looduslikest kiirgusallikatest Eestis