Apa yang kita ketahui tentang sinar-X?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Pada abad ke-19, radiasi yang tidak terlihat oleh mata manusia, yang mampu menembus daging dan material lain, tampak seperti sesuatu yang benar-benar fantastis. Sekarang, sinar-X banyak digunakan untuk membuat citra medis, melakukan terapi radiasi, menganalisis karya seni, dan memecahkan masalah energi nuklir.

Bagaimana radiasi sinar-X ditemukan dan bagaimana itu membantu orang - kami mencari tahu bersama dengan fisikawan Alexander Nikolaevich Dolgov.

Penemuan sinar-X

Sejak akhir abad ke-19, sains mulai memainkan peran baru yang fundamental dalam membentuk gambaran dunia. Seabad yang lalu, kegiatan para ilmuwan bersifat amatir dan pribadi. Namun, pada akhir abad ke-18, sebagai akibat dari revolusi ilmiah dan teknologi, sains berubah menjadi aktivitas sistematis di mana setiap penemuan menjadi mungkin berkat kontribusi banyak spesialis.

Lembaga penelitian, jurnal ilmiah berkala mulai muncul, persaingan dan perjuangan muncul untuk pengakuan hak cipta atas pencapaian ilmiah dan inovasi teknis. Semua proses ini terjadi di Kekaisaran Jerman, di mana pada akhir abad ke-19, Kaisar mendorong pencapaian ilmiah yang meningkatkan pamor negara di panggung dunia.

Salah satu ilmuwan yang bekerja dengan antusias selama periode ini adalah profesor fisika, rektor Universitas Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. Pada tanggal 8 November 1895, ia tinggal larut malam di laboratorium, seperti yang sering terjadi, dan memutuskan untuk melakukan studi eksperimental pelepasan listrik dalam tabung vakum kaca. Dia menggelapkan ruangan dan membungkus salah satu tabung dengan kertas hitam buram untuk memudahkan mengamati fenomena optik yang menyertai pelepasan. Yang mengejutkan saya

Roentgen melihat pita fluoresensi pada layar terdekat yang dilapisi kristal barium cyanoplatinite. Tidak mungkin seorang ilmuwan dapat membayangkan bahwa ia berada di ambang salah satu penemuan ilmiah terpenting pada masanya. Tahun depan, lebih dari seribu publikasi akan ditulis tentang sinar-X, dokter akan segera menggunakan penemuan itu, berkat itu, radioaktivitas akan ditemukan di masa depan dan arah ilmu pengetahuan baru akan muncul.

Roentgen mencurahkan beberapa minggu berikutnya untuk menyelidiki sifat cahaya yang tidak dapat dipahami dan menemukan bahwa fluoresensi muncul setiap kali dia mengalirkan arus ke tabung. Tabung adalah sumber radiasi, bukan bagian lain dari sirkuit listrik. Tidak tahu apa yang dia hadapi, Roentgen memutuskan untuk menyebut fenomena ini sebagai sinar-X, atau sinar-X. Lebih lanjut Roentgen menemukan bahwa radiasi ini dapat menembus hampir semua benda hingga kedalaman yang berbeda, tergantung pada ketebalan benda dan densitas zat tersebut.

Dengan demikian, piringan timah kecil antara tabung pelepasan dan layar ternyata tahan terhadap sinar-x, dan tulang-tulang tangan memberikan bayangan yang lebih gelap di layar, dikelilingi oleh bayangan yang lebih terang dari jaringan lunak. Segera ilmuwan menemukan bahwa sinar-X menyebabkan tidak hanya cahaya layar yang ditutupi dengan barium cyanoplatinite, tetapi juga penggelapan pelat fotografi (setelah pengembangan) di tempat-tempat di mana sinar-X jatuh pada emulsi fotografi.

Dalam perjalanan eksperimennya, Roentgen yakin bahwa dia telah menemukan radiasi yang tidak diketahui sains. Pada tanggal 28 Desember 1895, ia melaporkan hasil penelitiannya dalam sebuah artikel "On a new type of radiation" di jurnal Annals of Physics and Chemistry. Pada saat yang sama, ia mengirim para ilmuwan gambar-gambar tangan istrinya, Anna Bertha Ludwig, yang kemudian menjadi terkenal.

Terima kasih kepada teman lama Roentgen, fisikawan Austria Franz Exner, penduduk Wina adalah orang pertama yang melihat foto-foto ini pada tanggal 5 Januari 1896 di halaman surat kabar Die Presse. Keesokan harinya, informasi tentang pembukaan itu dikirim ke surat kabar London Chronicle. Maka penemuan Roentgen secara bertahap mulai memasuki kehidupan sehari-hari masyarakat. Aplikasi praktis ditemukan segera: pada 20 Januari 1896, di New Hampshire, dokter merawat seorang pria dengan lengan yang patah menggunakan metode diagnostik baru - sinar-X.

Penggunaan sinar-X sejak dini

Selama beberapa tahun, gambar sinar-X mulai digunakan secara aktif untuk operasi yang lebih akurat. Sudah 14 hari setelah pembukaannya, Friedrich Otto Valkhoff melakukan rontgen gigi pertama. Dan setelah itu, bersama Fritz Giesel, mereka mendirikan laboratorium rontgen gigi pertama di dunia.

Pada tahun 1900, 5 tahun setelah penemuannya, penggunaan sinar-X dalam diagnosis dianggap sebagai bagian integral dari praktik medis.

Statistik yang dikumpulkan oleh rumah sakit tertua di Pennsylvania dapat dianggap sebagai indikasi penyebaran teknologi berdasarkan radiasi sinar-X. Menurutnya, pada tahun 1900, baru sekitar 1-2% pasien yang mendapat bantuan rontgen, sedangkan pada tahun 1925 sudah 25%.

Sinar-X digunakan dengan cara yang sangat tidak biasa pada saat itu. Misalnya, mereka digunakan untuk menyediakan layanan hair removal. Untuk waktu yang lama, metode ini dianggap lebih disukai dibandingkan dengan yang lebih menyakitkan - forsep atau lilin. Selain itu, sinar-X telah digunakan dalam peralatan pemasangan sepatu - percobaan fluoroskop (pedoskop). Ini adalah mesin sinar-X dengan lekukan khusus untuk kaki, serta jendela tempat klien dan penjual dapat mengevaluasi bagaimana sepatu itu diletakkan.

Penggunaan awal pencitraan sinar-X dari perspektif keselamatan modern menimbulkan banyak pertanyaan. Masalahnya adalah bahwa pada saat penemuan sinar-X, praktis tidak ada yang diketahui tentang radiasi dan konsekuensinya, itulah sebabnya para pionir yang menggunakan penemuan baru menghadapi efek berbahaya dalam pengalaman mereka sendiri. Konsekuensi negatif dari peningkatan paparan menjadi fenomena massal pada pergantian abad 19. Abad XX, dan orang-orang mulai secara bertahap menyadari bahaya penggunaan sinar-X tanpa berpikir.

Sifat sinar-x

Radiasi sinar-X adalah radiasi elektromagnetik dengan energi foton dari ~ 100 eV sampai 250 keV, yang terletak pada skala gelombang elektromagnetik antara radiasi ultraviolet dan radiasi gamma. Ini adalah bagian dari radiasi alami yang terjadi di radioisotop ketika atom unsur tereksitasi oleh aliran elektron, partikel alfa atau kuanta gamma, di mana elektron dikeluarkan dari kulit elektron atom. Radiasi sinar-X terjadi ketika partikel bermuatan bergerak dengan percepatan, khususnya, ketika elektron diperlambat, di medan listrik atom suatu zat.

Sinar-X lunak dan keras dibedakan, batas bersyarat di antaranya pada skala panjang gelombang sekitar 0,2 nm, yang sesuai dengan energi foton sekitar 6 keV. Radiasi sinar-X menembus, karena panjang gelombangnya yang pendek, dan pengion, karena ketika melewati suatu zat, ia berinteraksi dengan elektron, menjatuhkannya dari atom, sehingga memecahnya menjadi ion dan elektron dan mengubah struktur zat pada yang bertindak.

Sinar-X menyebabkan senyawa kimia yang disebut fluoresensi bersinar. Menyinari atom sampel dengan foton berenergi tinggi menyebabkan emisi elektron - mereka meninggalkan atom. Dalam satu atau lebih orbital elektron, "lubang" terbentuk - kekosongan, yang menyebabkan atom masuk ke keadaan tereksitasi, yaitu menjadi tidak stabil. Sepersejuta detik kemudian, atom kembali ke keadaan stabil, ketika kekosongan di orbital dalam diisi dengan elektron dari orbital luar.

Transisi ini disertai dengan emisi energi dalam bentuk foton sekunder, sehingga timbul fluoresensi.

astronomi sinar-X

Di Bumi, kita jarang menjumpai sinar-X, tetapi cukup sering ditemukan di luar angkasa. Di sana itu terjadi secara alami karena aktivitas banyak benda luar angkasa. Ini memungkinkan astronomi sinar-X. Energi foton sinar-X jauh lebih tinggi daripada energi optik, oleh karena itu, dalam rentang sinar-X ia memancarkan zat yang dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi.

Sumber radiasi sinar-X kosmik ini bukanlah bagian yang nyata dari radiasi latar belakang alami bagi kita dan oleh karena itu tidak mengancam orang dengan cara apa pun. Satu-satunya pengecualian adalah sumber radiasi elektromagnetik keras seperti ledakan supernova, yang terjadi cukup dekat dengan tata surya.

Bagaimana cara membuat sinar-X secara artifisial?

Perangkat sinar-X masih banyak digunakan untuk introskopi non-destruktif (gambar sinar-X dalam kedokteran, deteksi cacat dalam teknologi). Komponen utama mereka adalah tabung sinar-X, yang terdiri dari katoda dan anoda. Elektroda tabung dihubungkan ke sumber tegangan tinggi, biasanya puluhan bahkan ratusan ribu volt. Ketika dipanaskan, katoda memancarkan elektron, yang dipercepat oleh medan listrik yang dihasilkan antara katoda dan anoda.

Bertabrakan dengan anoda, elektron melambat dan kehilangan sebagian besar energinya. Dalam hal ini, radiasi bremsstrahlung dari rentang sinar-X muncul, tetapi bagian utama dari energi elektron diubah menjadi panas, sehingga anoda didinginkan.

Tabung sinar-X aksi konstan atau berdenyut masih merupakan sumber radiasi sinar-X yang paling luas, tetapi jauh dari satu-satunya. Untuk mendapatkan pulsa radiasi intensitas tinggi, pelepasan arus tinggi digunakan, di mana saluran plasma dari arus yang mengalir dikompresi oleh medan magnetnya sendiri dari arus - yang disebut mencubit.

Jika pelepasan terjadi dalam media elemen ringan, misalnya, dalam media hidrogen, maka ia memainkan peran sebagai akselerator elektron yang efektif oleh medan listrik yang timbul dalam pelepasan itu sendiri. Debit ini dapat secara signifikan melebihi medan yang dihasilkan oleh sumber arus eksternal. Dengan cara ini, pulsa radiasi sinar-X keras dengan energi tinggi dari kuanta yang dihasilkan (ratusan kiloelektronvolt), yang memiliki daya tembus tinggi, diperoleh.

Untuk mendapatkan sinar-X dalam rentang spektral yang luas, akselerator elektron - sinkrotron digunakan. Di dalamnya, radiasi terbentuk di dalam ruang vakum annular, di mana berkas elektron berenergi tinggi yang diarahkan secara sempit, dipercepat hampir dengan kecepatan cahaya, bergerak dalam orbit melingkar. Selama rotasi, di bawah pengaruh medan magnet, elektron terbang memancarkan sinar foton secara tangensial ke orbit dalam spektrum yang luas, yang maksimumnya jatuh pada rentang sinar-X.

Bagaimana sinar-X terdeteksi

Untuk waktu yang lama, lapisan tipis fosfor atau emulsi fotografi diterapkan pada permukaan pelat kaca atau film polimer transparan digunakan untuk mendeteksi dan mengukur radiasi sinar-X. Yang pertama bersinar dalam rentang optik spektrum di bawah aksi radiasi sinar-X, sedangkan transparansi optik lapisan berubah dalam film di bawah aksi reaksi kimia.

Saat ini, detektor elektronik paling sering digunakan untuk mendaftarkan radiasi sinar-X - perangkat yang menghasilkan pulsa listrik ketika kuantum radiasi diserap dalam volume sensitif detektor. Mereka berbeda dalam prinsip mengubah energi radiasi yang diserap menjadi sinyal listrik.

Detektor sinar-X dengan registrasi elektronik dapat dibagi menjadi ionisasi, tindakan yang didasarkan pada ionisasi suatu zat, dan radioluminesen, termasuk kilau, menggunakan pendaran suatu zat di bawah aksi radiasi pengion. Detektor ionisasi, pada gilirannya, dibagi menjadi yang diisi gas dan semikonduktor, tergantung pada media pendeteksinya.

Jenis utama dari detektor berisi gas adalah ruang ionisasi, pencacah Geiger (penghitung Geiger-Muller) dan pencacah pelepasan gas proporsional. Kuanta radiasi yang memasuki lingkungan kerja penghitung menyebabkan ionisasi gas dan aliran arus, yang direkam. Dalam detektor semikonduktor, pasangan lubang elektron terbentuk di bawah aksi kuanta radiasi, yang juga memungkinkan arus listrik mengalir melalui badan detektor.

Komponen utama penghitung kilau dalam perangkat vakum adalah tabung photomultiplier (PMT), yang menggunakan efek fotolistrik untuk mengubah radiasi menjadi aliran partikel bermuatan dan fenomena emisi elektron sekunder untuk meningkatkan arus partikel bermuatan yang dihasilkan. Photomultiplier memiliki fotokatoda dan sistem elektroda percepatan berurutan - dinoda, pada tumbukan di mana elektron yang dipercepat berkembang biak.

Pengganda elektron sekunder adalah perangkat vakum terbuka (beroperasi hanya dalam kondisi vakum), di mana radiasi sinar-X pada input diubah menjadi aliran elektron primer dan kemudian diperkuat karena emisi sekunder elektron saat merambat di saluran pengganda.

Pelat saluran mikro, yang merupakan sejumlah besar saluran mikroskopis terpisah yang menembus detektor pelat, bekerja menurut prinsip yang sama. Mereka juga dapat memberikan resolusi spasial dan pembentukan gambar optik dari penampang insiden fluks pada detektor radiasi sinar-X dengan membombardir aliran elektron keluar dari layar semitransparan dengan fosfor yang disimpan di atasnya.

rontgen dalam kedokteran

Kemampuan sinar-X untuk menyinari objek material tidak hanya memberi orang kemampuan untuk membuat sinar-X sederhana, tetapi juga membuka kemungkinan untuk alat diagnostik yang lebih canggih. Misalnya, ini adalah jantung dari computed tomography (CT).

Sumber dan penerima sinar-X berputar di dalam ring tempat pasien berbaring. Data yang diperoleh tentang bagaimana jaringan tubuh menyerap sinar-X direkonstruksi oleh komputer menjadi gambar 3D. CT sangat penting untuk mendiagnosis stroke, dan meskipun kurang akurat dibandingkan pencitraan resonansi magnetik otak, CT membutuhkan waktu yang jauh lebih sedikit.

Arah yang relatif baru, yang sekarang berkembang dalam mikrobiologi dan kedokteran, adalah penggunaan radiasi sinar-X lunak. Ketika organisme hidup tembus cahaya, memungkinkan untuk memperoleh gambar pembuluh darah, mempelajari secara rinci struktur jaringan lunak, dan bahkan melakukan studi mikrobiologis pada tingkat sel.

Mikroskop sinar-X yang menggunakan radiasi dari pelepasan jenis cubit dalam plasma elemen berat memungkinkan untuk melihat detail struktur sel hidup seperti itu,yang tidak dapat dilihat oleh mikroskop elektron bahkan dalam struktur seluler yang disiapkan secara khusus.

Salah satu jenis terapi radiasi yang digunakan untuk mengobati tumor ganas menggunakan sinar-X keras, yang dimungkinkan karena efek pengionnya, yang menghancurkan jaringan objek biologis. Dalam hal ini, akselerator elektron digunakan sebagai sumber radiasi.

Radiografi dalam teknologi

Sinar-X lunak digunakan dalam penelitian yang bertujuan untuk memecahkan masalah fusi termonuklir terkendali. Untuk memulai proses, Anda perlu membuat gelombang kejut mundur dengan menyinari target deuterium dan tritium kecil dengan sinar-X lembut dari pelepasan listrik dan langsung memanaskan cangkang target ini ke keadaan plasma.

Gelombang ini memampatkan bahan target ke kepadatan ribuan kali lebih tinggi dari kepadatan padat, dan memanaskannya hingga suhu termonuklir. Pelepasan energi fusi termonuklir terjadi dalam waktu singkat, sedangkan plasma panas berhamburan oleh inersia.

Kemampuan untuk tembus memungkinkan radiografi - teknik pencitraan yang memungkinkan Anda untuk menampilkan struktur internal objek buram yang terbuat dari logam, misalnya. Mustahil untuk menentukan dengan mata kepala apakah struktur jembatan telah dilas dengan kuat, apakah lapisan pada pipa gas kedap udara dan apakah relnya pas satu sama lain.

Oleh karena itu, dalam industri, sinar-X digunakan untuk deteksi cacat - memantau keandalan sifat kerja utama dan parameter suatu objek atau elemen individualnya, yang tidak mengharuskan objek tersebut tidak digunakan atau dibongkar.

Spektrometri fluoresensi sinar-X didasarkan pada efek fluoresensi - metode analisis yang digunakan untuk menentukan konsentrasi elemen dari berilium hingga uranium dalam kisaran dari 0,0001 hingga 100% dalam zat dari berbagai asal.

Ketika sampel disinari dengan fluks radiasi yang kuat dari tabung sinar-X, radiasi fluoresen karakteristik atom muncul, yang sebanding dengan konsentrasinya dalam sampel. Saat ini, hampir setiap mikroskop elektron memungkinkan untuk menentukan, tanpa kesulitan, komposisi unsur terperinci dari objek mikro yang dipelajari dengan metode analisis fluoresensi sinar-X.

Sinar-X dalam sejarah seni

Kemampuan sinar-X untuk menembus dan menciptakan efek fluoresensi juga digunakan untuk mempelajari lukisan. Apa yang tersembunyi di bawah lapisan atas cat bisa bercerita banyak tentang sejarah penciptaan kanvas. Misalnya, dalam karya terampil dengan beberapa lapisan cat, sebuah gambar dapat ditemukan menjadi unik dalam karya seorang seniman. Penting juga untuk mempertimbangkan struktur lapisan lukisan saat memilih kondisi penyimpanan yang paling cocok untuk kanvas.

Untuk semua ini, radiasi sinar-X sangat diperlukan, memungkinkan Anda untuk melihat di bawah lapisan atas gambar tanpa merusaknya.

Perkembangan penting ke arah ini adalah metode baru khusus untuk bekerja dengan karya seni. Fluoresensi makroskopik adalah varian dari analisis fluoresensi sinar-X yang sangat cocok untuk memvisualisasikan struktur distribusi elemen kunci, terutama logam, yang ada di area sekitar 0,5-1 meter persegi atau lebih.

Di sisi lain, laminografi sinar-X, varian dari tomografi sinar-X terkomputasi, yang lebih cocok untuk mempelajari permukaan datar, tampaknya menjanjikan untuk memperoleh gambar dari lapisan individu gambar. Metode ini juga dapat digunakan untuk mempelajari komposisi kimia lapisan cat. Ini memungkinkan kanvas diberi tanggal, termasuk untuk mengidentifikasi pemalsuan.

Sinar-X memungkinkan Anda untuk mengetahui struktur suatu zat

Kristalografi sinar-X adalah arah ilmiah yang terkait dengan identifikasi struktur materi pada tingkat atom dan molekul. Ciri khas benda kristal adalah pengulangan berganda dalam struktur spasial elemen (sel) yang sama, yang terdiri dari kumpulan atom, molekul, atau ion tertentu.

Metode penelitian utama terdiri dari memaparkan sampel kristal ke berkas sempit sinar-X menggunakan kamera sinar-X. Foto yang dihasilkan menunjukkan gambar sinar-X terdifraksi yang melewati kristal, dari mana para ilmuwan kemudian dapat menampilkan struktur spasialnya secara visual, yang disebut kisi kristal. Berbagai cara penerapan metode ini disebut analisis struktur sinar-X.

Analisis struktur sinar-X zat kristal terdiri dari dua tahap:

1. Penentuan ukuran sel satuan kristal, jumlah partikel (atom, molekul) dalam sel satuan dan simetri susunan partikel. Data ini diperoleh dengan menganalisis geometri lokasi maksima difraksi.
2. Perhitungan kerapatan elektron di dalam sel satuan dan penentuan koordinat atom, yang diidentifikasi dengan posisi kerapatan elektron maksimum. Data ini diperoleh dengan menganalisis intensitas maxima difraksi.

Beberapa ahli biologi molekuler memperkirakan bahwa dalam pencitraan molekul terbesar dan paling kompleks, kristalografi sinar-X dapat digantikan oleh teknik baru yang disebut mikroskop elektron kriogenik.

Salah satu alat terbaru dalam analisis kimia adalah pemindai film Henderson, yang ia gunakan dalam karya perintisnya dalam mikroskop elektron kriogenik. Namun, metode ini masih cukup mahal dan karena itu tidak mungkin sepenuhnya menggantikan kristalografi sinar-X dalam waktu dekat.

Bidang penelitian dan aplikasi teknis yang relatif baru yang terkait dengan penggunaan sinar-X adalah mikroskop sinar-X. Ini dirancang untuk mendapatkan gambar yang diperbesar dari objek yang diteliti di ruang nyata dalam dua atau tiga dimensi menggunakan optik pemfokusan.

Batas difraksi resolusi spasial dalam mikroskop sinar-X karena panjang gelombang kecil dari radiasi yang digunakan adalah sekitar 1000 kali lebih baik daripada nilai yang sesuai untuk mikroskop optik. Selain itu, daya tembus radiasi sinar-X memungkinkan untuk mempelajari struktur internal sampel yang sepenuhnya buram terhadap cahaya tampak.

Dan meskipun mikroskop elektron memiliki keuntungan dari resolusi spasial yang sedikit lebih tinggi, itu bukan metode penyelidikan non-destruktif, karena memerlukan ruang hampa dan sampel dengan permukaan logam atau logam, yang benar-benar merusak, misalnya, untuk objek biologis.