Fysiikka 8 luku 1.3 Röntgensäteily

 

Röntgensäteily on aallonpituudeltaan hyvin lyhyttä sähkömagneettista säteilyä. Sen keksi Wilhelm Konrad Röntgen vuonna 1895. Röntgenkuvauksissa voidaan käyttää varjoaineita. Röntgensäteily absorboituu varjoaineisiin ja parantaa siten kuvan kontrastia. Varjoainekuvausta käytetään mm. ruoansulatuskanavan ja verisuoniston kuvauksissa. Röntgensäteily ionisoi kudosta suurina annoksina, minkä takia sitä käytetään syöpäsairauksien sädehoidossa.

Röntgenputken toiminta

Röntgenputkessa anodin ja katodin välille on kytketty hyvin korkea tasajännite. Elektronit lähtevät negatiiviselta katodilta, ja positiivinen anodi vetää niitä puoleensa. Elektronit joutuvat katodin ja anodin välisessä sähkökentässä kiihtyvään liikkeeseen ja törmäävät hyvin suurella nopeudella anodiin. Kun elektronit kohtaavat anodin, ne jarruuntuvat ja pysähtyvät törmäysten takia lyhyessä ajassa. Myös elektronien nopeuden suunta muuttuu. Muuttuvassa liikkeessä oleva elektroni (varattu hiukkanen) lähettää sähkömagneettista säteilyä.

Elektronien jarruuntumisesta aiheutuvaa säteilyä kutsutaan röntgenputken jarrutussäteilyksi. Elektronien jarruuntumisen takia anodiaine lämpenee voimakkaasti, minkä takia putken anodia on jäähdytettävä esim sen sisällä virtaavalla vedellä.

Röntgensäteilyn spektri

Jatkuva spektri syntyy jarrutussäteilystä ja ominaissäteily aiheuttaa röntgenspektrin intensiteettipiikit. Röntgenputkessa kiihdytetyt elektronit saavat liike-energian E_k,a = qU, jossa q on elektronin varauksen itseisarvo. Kun elektroni saapuu ytimen sähkökenttään, sen rata kaartuu ja samalla elektroni menettää energiaa säteilemällä fotoneita. Jarrutussäteilyn suurin taajuus syntyy, kun elektronin koko liike-energia muuntuu yhdeksi fotoniksi. Kvantin energia on silloin

hf_max = qU

Taajuuden maksimiarvoksi saadaan

f_max = qU / h

Koska f_max = c / λ_min niin jarrutussäteilyn aallonpituuden minimiarvo on

λ_min = hc / qU jossa U on putken kiihdytysjännite.

Jarrutussäteily on riippumaton anodimateriaalista. Kun röntgenputken kiihdytysjännite on riittävän suuri, elektronilla on tarpeeksi energiaa jotta se voi iskeä elektronin irti kohtaamansa atomin sisemmiltä elektronikuorilta. Syntyneeseen tyhjään paikkaan siirtyy heti toinen elektroni joltain ylemmältä elektronikuorelta, ja samalla atomi säteilee sähkömagneettista säteilyä eli fotonin, jonka energia on sama kuin elektronikuorten välinen energiaero.

Jos elektroni irtoaa alimmalta elektronikuorelta eli K-kuorelta ja sen paikalle siirtyy seuraavaksi alimman kuoren eli L-kuoren elektroni, syntynyttä röntgenkvanttia nimitetään Kα –kvantiksi. Jos aukko täyttyy M-kuorelta peräisin olevalla elektronilla, syntynyttä röntgenkvanttia nimitetään K_β –kvantiksi. Röntgenspekrissä K-alfakvantin intensiteetti on aina suurempi kuin K –beetakvantin.

Röntgenputkesta tuleva säteilyä, joka aiheuttaa spektriin intensiteettipiikkejä, kutsutaan ominaissäteilyksi eli karakteristiseksi säteilyksi. Sen aallonpituudet riippuvat röntgenputken anodiaineesta, sen atomien elektroniverhon rakenteista ja energioista. Ominaissäteily on osoitus atomin energian kvantittumisesta.

Kullakin alkuaineella on sille ominainen röntgenspektri. Röntgenspektrin piikkejä tutkimalla voidaan selvittää näytteen alkuainekoostumus. Jos kiihdytysjännite on pieni, elektroni ei pysty irrottamaan anodin atomista K-kuoren elektronia. Silloin spektrissä ei ole K-piikkejä.

Lyhyt kertaus vielä

Röngtgensäteily on lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä. Sitä syntyy, kun elektronisuihku osuu metallikohtioon. Jarrutussäteilyssä elektronin liike-energia muuntuu säteilyn energiaksi.