الأشعة السينية: أسرار الضوء الخفي وتكوينها الفيزيائي

في عام 1895 كان الألماني وليام كونراد رونتجن يعمل في مختبره في جامعة فورتسبورغ وكان يجري تجارب على أنابيب الأشعة الكاثودية(نوع من أنابيب التفريغ الكهربائي) لمحاولة فهم كيفية مرور التيار الكهربائي عبر الغازات. في إحدى تجاربه لاحظ رونتجن توهجات على شاشة فسفورية موضوعة أمام أنبوب الأشعة ،ودُهِش لبقاء هذه التوهجات رغم تغطية الأنبوب بمادة عازلة وظل يجرب عزلها بعدة أنواع من المواد فوجد منها ما يُضعف هذا التوهج ومنها لا، ثم جرب وضع يده وشاهد ظلال عظامه تظهر على الشاشة. هنا أدرك رونتجن أنه اكتشف نوع جديد من الأشعة الغير مرئية والقادرة على الإختراق. لاحقاً قام رونتجن بتسميتها ب X_Ray (الأشعة السينية) ويشير رمز X إلى المجهول في الرياضيات نظراً لعدم معرفته وقتها طبيعة هذه الأشعة وكيف نتجت. لكنك عزيزي القارئ ستعرف معي ما لم يعرفه رونتجن وقتها، وربما نستبدل اسم الأشعة السينية ب أشعة عزيزي القارئ(اسمك الجميل).

ما طبيعية الأشعة السينية؟

الأشعة السينية أو أشعة إكس (X): هي أحد أنواع موجات الطيف الكهرومغناطيسي الذي ينتقل في الفراغ بسرعة الضوء دون الحاجة إلى وسط ناقل، بمعنى آخر عبارة عن ضوء ولكنها خارج نطاق الضوء المرئي؛ أي أنه لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة.

خصائص الأشعة السينية ومميزاتها

تقع الأشعة السينية في خط الطيف الكهرومغناطيسي بين الأشعة الفوق بنفسجية وأشعة جاما وتمتلك خصائص فيزيائية مميزة وهي:

التردد الكبير : تعتبر الأشعة السينية ثاني أكبر أشعة من حيث التردد بعد أشعة جاما؛ حيث تمتلك تردد يساوي(3×1016_3×Hz 1019 )©

الطول الموجي القصير: تأتي الأشعة السينية في المرتبة ما قبل الأخيرة من ناحية الطول الموجي؛ حيث أن طولها الموجي القصير يبلغ(0.5 – 5.Å 2)© وتأتي قبلها أشعة جاما.

السرعة: حيث أنها تتحرك بسرعة الضوء المذهلة والتي تساوي 3×10^8 متر لكل ثانية.

الطاقة العالية: تتميز الأشعة السينية بطاقتها العالية والتي تعطيها القدرة على اختراق الاشياء مهما بلغت كثافتها، و لها القدرة على تأيين المواد عند التفاعل معها.

اللاقابلية: على الرغم من ان الأشعة السينية من نفس نوع الضوء، الا انها غير قابلة للانعكاس او الانكسار أو الحيود، بل تسير بخط مستقيم وتنتشر في الفراغ.

فيزياء الأشعة السينية: نشأتها وانبعاثها على المستوى الكمي( الذري)

تنتج الأشعة السينية وتنبعث من خلال تفاعل الإلكترونات مع الذرات وهناك تفاعلين رئيسيين مسؤولين بشكل خاص عن إنتاج الأشعة السينية، وهما:

characteristics

يمكن توليد فوتون الأشعة السينية عن طريق قذف إلكترون ذو طاقة حركية عالية نحو ذرة الهدف المراد تأينه.

يضرب الإلكترون المقذوف أحد الإلكترونات المدارية الداخلية في ذرة المادة المستهدفة ثم يدفعه ويخرجه خارج الذرة في عملية تُعرف بالتأين.

نتيجة لخروج الإلكترون؛ يترك مكانه فجوة؛ فتصبح الذرة غير مستقرة وحتى يتم ملء هذه الفجوة وتعود الذرة إلى حالة الإستقرار؛ ينزل أحد إلكترونات المدارات الخارجية لملء هذه الفجوة، وينتج عن هذا النزول انبعاث فوتون عالي الطاقة وهو فوتون الأشعة السينية، ويسمى فوتون الأشعة السينية المنبعث بهذه الطريقة (characteristics radiation).

شرط حدوث هذا النوع من التفاعل، هو أن تكون طاقة الإلكترون المقذوف ≥ 69 Kev ©.

bremsstrahlung

يحدث هذا التفاعل نتيجة تصادم إلكترون مقذوف مع المجال المحيط بالنواة.

حيث يبطئ مجال النواة من حركة الإلكترون المقذوف؛ ونتيجة لذلك يفقد الإلكترون جزءًا من طاقته مع كل دورة حول النواة.

يستمر الإلكترون بالدوران حول النواة بسبب قوة الجذب النووي، حتى يفقد طاقته تمامًا، وتنبعث هذه الطاقة في كل دورة على شكل فوتون الأشعة السينية.

يُطلق على الأشعة السينية المنبعثة من هذه الطريقة (Bremsstrahlung radiation) أو (braking radiation).

وتجدر الإشارة إلى أن هذا النوع من فوتونات الأشعة السينية، على عكس (characteristics radiation)، لا يتطلب طاقة أكبر من 69 Kev؛ لأنه يحدث عند جميع الطاقات المختلفة الممكنة.

أنبوب ال X Ray: آلة إنتاج الأشعة السينية

يتم إنتاج الأشعة السينية بواسطة أنبوب الأشعة السينية الذي يحتوي على عدة أجزاء تعمل مع بعضها لإنتاج الأشعة، وهي:

1_ الأنبوب الزجاجي(glass envelope):

أنبوبة زجاجية مقاومة للحرارة مفرغة من الهواء وعلى جانبها نافذة صغيرة تسمح بمرور الأشعة السينية الأولية(المفيدة للجودة).

2_المِهبط (Cathode):

كما هو موضح بالصورة، على الجانب الأيسر، و هو عبارة عن فتيلة من عنصر التنجستن موصولة بمصدر تيار كهربائي وحولها وعاء مشحون بشحنة سالبة يسمى ب (focusing cub).

3_المِصعد (Anode):

على الجانب الأيمن من الصورة، و يتكون من الهدف الذي تصطدم به الإلكترونات و تتفاعل مع ذرات عنصره التي هي أيضاً من التنجستن بالتفاعلين السابق ذكرهم.

4_ فرق الجهد:

يوصل فرق جهد بين المهبط والمصعد يعمل على إنشاء مجال كهربائي يجذب الإلكترونات من القطب السالب للموجب، ويؤدي التحكم به زيادةً أو نقصاناً إلى تحديد طاقة الإلكترونات الحركية، وبناءاً عليها يتم تحديد طاقة فوتونات الأشعة السينية المتولدة(قدرتها على الإختراق).

فيزياء الأشعة السينية: نشأتها وانبعاثها على المستوى المادي

على المستوى المادي تتولد الأشعة السينية عند تشغيل أنبوب ال X Ray وتمر بمرحلتين:

1_ عملية التأين الحراري(تسخين الفتيلة):

تبدأ عملية توليد الأشعة السينية عند تمرير التيار الكهربائي خلال الفتيلة، ترتفع درجة حرارتها -تسخن- هذه الحرارة تكون بمثابة الطاقة التي تحصل عليها الإلكترونات للخروج من ذرات الفتيلة والانبعاث منها بإتجاه الهدف(Anode). يجب أن تكون هذه الطاقة كافية لفك ارتباط الإلكترون أو تحريره من المدار وكافية لامداده بطاقة حركية للخروج من الذرة.

يحرص الـ focusing cub على عدم تشتت الإلكترونات وتجميعها في شكل حزمة موجهة نحو الهدف.

2_تصادم الإلكترونات مع الهدف:

عندما تصل الإلكترونات المقذوفة من الفتيلة(Cathode )إلى ذرة الهدف (Anode)

تصطدم بها ومن خلال حصول أحد أو كلا تفاعلي ال characteristic & Bremsstrahlung، تنبعث الأشعة السينية من المصعد وتخرج عبر نافذة الأنبوب الزجاجي إلى الفراغ.

ماذا لو لم تكن الطاقة التي يستمدها الإلكترون من تسخين الفتيلة كافية؟

اهنئك عزيزي القارئ اذا خطر في بالك هذا السؤال ،فهذا يدل على أنك تفكر مثل علماء الكم.

في حال لم تكن الطاقة كافية، فإن الالكترون قد يتحرر من مداره ولكنه سيكون غير قادر على الحركة والخروج من الذرة.

فمثلاً لو فرضنا ان الطاقة اللازمة للإلكترون لكي يتحرر هي 30 Kev

ويحتاج طاقة للحركة بمقدار 40 Kev ،المجموع 70 Kev، فلو كانت الحرارة منحته طاقة مقدارها Kev 60 فقط، سوف يتحرر من المدار لكن لن يكون بإمكانه الحركة والخروج من الذرة، وبالتالي لن يكتمل التفاعل الذي يجعل الأشعة السينية تنبعث.

استخدامات الأشعة السينية: الفوائد بعيداً عن المخاطر

بسبب طاقتها العالية، تتميز الأشعة السينية بقدرتها الكبيرة على اختراق الأجسام، مما جعلها وسيلة فعالة لإلقاء نظرة داخلية دقيقة على كل الاشياء. تستخدم الأشعة السينية في مجالات عدة في مختلف الأماكن مثل:

المطارات: فبسبب قدرتها على الإختراق يمكنها فحص مكونات حقائب المسافرين التي تمر عبر نقاط التفتيش.

التصوير الطبي أو التصوير الإشعاعي:

من خلاله أصبح تشخيص حالات الكسور بمختلف أنواعها ومناطق الإصابة بها أمراً يسيراً على الأطباء بفضل قدرات الأشعة السينية المميزة، فمن المشكلات الصحية التي يمكن اكتشافها بواسطة التصوير بالأشعة السينية:

العظام وكسورها.
مشاكل الأسنان، مثل تخلخل الأسنان وخراجات الأسنان.
أورام العظام السرطانية وغير السرطانية.
مشاكل الجنف: (انحناء غير طبيعي للعمود الفقري).
مشاكل الرئة، مثل الالتهاب الرئوي وسرطان الرئة.
سرطان الثدي.
عسر البلع (مشاكل البلع).
مشاكل القلب، مثل قصور القلب.
استخدامات طبية حيوية: تُستخدم الأشعة السينية في العمليات الجراحية لتوجيه الأطباء أثناء تنفيذ إجراءات داخلية للمريض مثل تثبيت العظام أو تركيب قسطرة القلب. وتكون الأشعة السينية مستمرة لكي تنتج صوراً متحركة أو ديناميكية.

العلاج: يتم استخدام الأشعة السينية لعلاج بعض أنواع السرطانات، وذلك بزيادة طاقتها إلى ملايين الڤولتات لتكون قادرة على إتلاف الخلايا السرطانية وقتلها.

مخاطر الأشعة السينية: السلبيات ما وراء عظمة التشخيص

رغم أن الأشعة السينية تمتلك مميزات جعلتها تقتحم عالم الطب بقوة وأثبتت نفسها بين الفحوصات الطبية المختلفة، إلا أن لها مخاطر تصل إلى الموت على المدى البعيد، ويرجع السبب إلى الاستخدام الخاطئ ل الأشعة السينية، كإعطاء جرعات زائدة عن الحد للمريض، أو خلل في تعريض المريض للأشعة بنسب وحسابات خاطئة في أماكن غير مناسبة في الجسد. وعدم اتباع إرشادات وتقنيات الوقاية من الإشعاع.

أما عن المخاطر:

يمكن للإشعاع أن يُضعف عمل الأنسجة أو الأعضاء.

ينتج عن الإشعاع آثار حادة مثل احمرار الجلد أو تساقط الشعر أو الحروق الإشعاعية أو متلازمة الإشعاع الحادة.

الخطر الأكثر شيوعاً هو أن تتسبب بسرطان على المدى البعيد، حيث أنها تعمل على تأين الذرات؛ وبالتالي يمكن أن تتشوه الخلايا وتتحول إلى أورام سرطانية.

في الحمل: قد يؤدي التعرض ل الأشعة السينية قبل الولادة بين الأسابيع 8-15 من الحمل والأسابيع 16- 25 من الحمل إلى تلف دماغ الأجنة بسبب جرعة حادة. أما قبل الأسبوع الثامن أو بعد الأسبوع الخامس والعشرين من الحمل لا تؤثر نسبياً على الجنين. ولكن يا عزيزي تبقى فرص التأثر بالإشعاع أو عدمه احتمالات.

في النهاية لقد أحْدث اكتشاف الأشعة السينية ثورة كبيرة في الطب، ومنها اشتُقت جميع العلوم المتعلقة بالأشعة، و أصبحت الأشعة السينية تُدرَّس كمساقات في المجالات الطبية، بل إن علوم الأشعة أصبحت تخصصات جامعية تُدرّس في الجامعات ويُمنح عليها درجات علمية، ولها أقسامها الخاصة في المستشفيات والمراكز الصحية، وأصبحت وسيلة طبية لا يمكن الاستغناء عنها في أي احتياج طبي. وعلى الرغم من المخاطر التي قد تصاحب الأشعة السينية فإنها تبقى واحدة من أعظم اكتشافات الفيزياء والطب ولا تنسى يا عزيزي أن ما يُميت قد يُفيد.