تعريف أشعة اكس


لا حظ انه في الظاهرة الكهروضوئية كان سقوط فوتون على سطح معدن يؤدي إلى تحرير إلكترون، ولكن في عملية إنتاج أشعة اكس يحدث العكس حيث أن جزء من طاقة حركة الإلكترون تتحول إلى فوتون هو أشعة اكس. ولهذا فإن عملية إنتاج أشعة اكس عكس الظاهرة الكهروضوئية.

كيف تتحول طاقة حركة الإلكترون إلى فوتون



عندما ينطلق إلكترون بسرعة كبيرة مقترباً من نواة (موجبة الشحنة) ذرة عنصر ثقيل فإنه ينحرف عن مساره المستقيم ليتحرك في مسار منحني نتيجة قوة تجاذب كولوم. وحيث أن ذلك سيؤدي إلى تغيير عجلة الإلكترون خلال حركته في مسار منحني نتيجة قوى التجاذب وبناء على النظرية الكلاسيكية فإن الإلكترون المعجل سيطلق أشعة كهرومغناطيسية. كما أن نظرية الكم تنص على أن أشعة كهرومغناطيسية تنبعث نتيجة لتعجيل الإلكترون وتنطلق في صورة مكممة على شكل فوتونات. وبهذا فإن فوتون أو أكثر سوف ينطلق من تعجيل الإلكترون تحت تأثير نواة الذرة وتكون النتيجة أن تقل طاقة حركة الإلكترون بعد أن يخرج الإلكترون من مجال النواة..

تعرف ظاهرة انبعاث الأشعة الكهرومغناطيسية نتيجة لتغيير طاقة الالكترونات بمرورها حول النواة باسم Bremsstrahlung وهو مصطلح ألماني يعني Breaking radiation وهذه الظاهرة موضحة في الشكل التالي:






حيث تكون طاقة حركة الإلكترون في قبل التصادم Ek1 وبعد التصادم تصبح Ek2 نتيجة لانطلاق فوتون طاقته hn.
Ek1 - Ek2 = hn (1)
حيث أن كتلة النواة اكبر بحوالي 2000 مرة كتلة الإلكترون فإننا نهمل حركة النواة في هذه الحالة.

للمقارنة بين تفسير النظرية الكلاسيكية ونظرية الكم في مثل هذه الظاهرة فإن انبعاث الطيف الكهرومغناطيسي يكون إشعاع متصل طالما كان الإلكترون يتحرك في مجال النواة أي طالما الإلكترون يتحرك بعجلة في مسار منحني حول النواة. أما نظرية الكم فتفترض أن الإشعاع ينطلق بصورة مكممة على شكل فوتونات.

إنتاج أشعة اكس

اكتشفت أشعة اكس في عام 1895 بواسطة العالم Roentgen وقد أطلق عليها اسم أشعة اكس X-ray لأن طبيعة هذه الأشعة كانت مجهولة بالنسبة له.

ولد رنتغن في مدينة "لينيب" بألمانيا في 27 مارس من عام 1845م، وحصل على شهادة البكالوريوس في الهندسة الميكانيكية، وفي عام 1869م حصل على شهادة الفيزياء وعمل محاضراً لعلوم الفيزياء في جامعة "فرزبيرغ" بألمانيا وخلال عمله استطاع تقديم خدمة كبيرة للبشرية وذلك باكتشافه لأشعة (اكس) فهو أول من قام برصدها في 28 نوفمبر من عام 1895م عندما كان يلاحظ صدورها من أدوات أشعة الكاثود (الأشعة الالكترونية)، واستغرب لرؤية بصيص من صورة ما تنتج عن هذه الأدوات وتبتعد عنها بمسافة معينة، وعلم فيما بعد أن شبح الصورة هذه ليس نتاجاً لأشعة الكاثود لأنها لا تستطيع اختراق الهواء لمسافة معينة، وبعد دراسات وتحقيقات مستمرة أطلق عليها اسم أشعة (x) مشيراً بهذا الرمز إلى أنها شيء مجهول.
أدى اكتشاف أشعة (اكس) بميزاتها المتفردة إلى انبهار الجميع وصارالاحتفال بهذا الاكتشاف وبصاحبه يأخذ مكانة يومياً، حتى ان معظم زملائه ارادوا ان يطلقوا عليها اسم أشعة (رنتغن) إلا أنه اعترض على ذلك بشدة. ولعبت هذه الأشعة دوراً كبيراً في خدمة البشرية في كثير من المجالات وظل هذا الدور يتجدد باستمرار إلى يومنا هذا، فمعظم الاكتشافات القديمة والحديثة لعبت هذه الأشعة دورا في عملية اكتشافها فضلاً عن دورها الكبير في الخدمات والعلوم الطبية.
وتم تكريمه على هذا الاكتشاف العظيم بنيله أول جائزة "نوبل" في فئة الفيزياء وذلك في ديسمبر من عام 1901م، وقام "رنتغن" بالتبرع بقيمة الجائزة كاملة إلى الجامعة لتنفقها في ابحاثها العلمية، وقبل "رنتغن" الدكتوراه الفخرية في الطب كما رفض الحصول على أي أجر مقابل اكتشافه هذا وعندما مات عام 1923م كان مفلسا تماما جراء التضخم الاقتصادي الذي لازم الحرب العالمية الأولى.

. ولكن الآن نعلم أن أشعة اكس هي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي ذات طول موجي صغير (1 انجستروم). وللحصول على أشعة اكس نستخدم الجهاز الموضح في الشكل التالي:






تعتمد فكرة جهاز إنتاج أشعة اكس على توفير مصدر الكتروني ليتم تعجيله بواسطة فرق جهد كبير لتصطدم بالهدف وهو عبارة عن معدن ثقيل مثل النحاس أو المولبدنيم. والجهاز الموضح في الشكل أعلاه يوضح مخطط للجهاز المستخدم. يمر التيار الكهربي في الفتيلة F لتسخن الكاثود C فتنطلق منه الالكترونات (انبعاث حراري) في اتجاه الهدف Target تحت تأثير فرق جهد يصل إلى 30000 فولت في داخل أنبوبة مفرغة لمنع اصطدام الالكترونات المعجلة في جزيئات الهواء. تصطدم الالكترونات في الهدف T (الأنود) بطاقة حركة تعطى من المعادلة:
Ek = eV (2)
حيث أن e شحنة الإلكترون و V فرق جهد التعجيل المطبق بين الكاثود والأنود.
بعد عدة تصادمات للإلكترون بسطح الهدف فإنها تتباطئ تدريجياً لتصل في النهاية إلى سرعة صفر وفي كل مرة تحدث فيها تصادم ينتج فوتون بطاقة تساوي الفرق في طاقة حركة الإلكترون قبل وبعد التصادم كما توضحه المعادلة (1). في حالة خاصة قد يحدث أن تفقد كامل طاقة حركة الإلكترون باصطدامه بسطح الهدف فإن من المعادلة (1) يصبح
Ek1 = eV & Ek2 = 0
وهنا ينتج فوتون بأكبر طاقة ممكنة
eV =Ek = hnmax (3)
حيث أن nmax هي اكبر تردد لفوتون أشعة اكس الناتج. لاحظ هنا ان المعادلة (3) تعطي أقصى طاقة للفوتون والذي يعتمد على فرق جهد التعجيل وعلى ان يفقد الالكترون المعجل كامل طاقته في تصادم واحد. وتجدر الإشارة إلى أن هناك جزء من طاقة الإلكترون يفقد على شكل طاقة حرارية أو أن الإلكترون يحدث أكثر من تصادم واحد مع الهدف لذا فإن هناك توزيع طيفي للأشعة اكس الناتجة ولكن أقصى تردد يعطى بالعلاقة التالية:
(4)




طيف أشعة اكس

إذا قمنا بتحليل طيفي لأشعة اكس بدراسة العلاقة بين تردد الفوتونات المنبعثة من جهاز إنتاج أشعة اكس وشدة هذه الأشعة فإننا نحصل على توزيع الفوتونات بدلالة التردد كما في الشكل التالي:






خلاصة الدراسة
  1. <LI dir=rtl>
    يتكون طيف أشعة اكس من طيف متصل continuous spectrum وطيف خطي Line spectrum
    <LI dir=rtl>
    الطيف المتصل له قيمة عظمى عند nmax وهذه القيمة تعتمد على فرق جهد التعجيل.
  2. الطيف الخطي والمتمثل في الخطين الموضحين في الشكل أعلاه لا يعتمدان على فرق جهد التعجيل إنما على مادة الهدف لذا يعتبر الطيف الخطي لأشعة اكس وسيلة للتعرف على نوع مادة الهدف.