الأشعّة السينيّة

أنبوب كوليدج

تُولَّد الأشعّة السينيّة بأنبوب كوليدج، الكتاب، الصفحة 229: أنبوبٌ زجاجيّ مخلًّى من الهواء تخليةً شديدة، الضغط فيه نحو ${\mathrm{1<!--\; -->0}}^{-6}\mathrm{m}\mathrm{m}\mathrm{H}\mathrm{g}$. فيه سلكٌ من التنغستين يُسخَّن حتّى التوهّج بتيّارٍ كهربائيّ، ويحيط بالسلك مهبطٌ معدنيّ مقعّر الشكل يجمع حزمة الإلكترونات المنبعثة من السلك على الهدف. والهدف، مقابل المهبط، موصولٌ بالمصعد، ويُصنع من معدنٍ ثقيل درجة حرارة انصهاره مرتفعةٌ جدّاً مثل الموليبدنيوم، ويميل بزاوية ${\mathrm{4<!--\; -->5}}^{\circ }$ على محور الأنبوب، ويُثبَّت على أسطوانةٍ نحاسيّة أكبر منه حجماً متّصلةٍ بمبرّد. ويُطبَّق بين المصعد والمهبط توتّرٌ عالٍ متواصل $U_{AC}$ من رتبة ${\mathrm{1<!--\; -->0}}^4$ إلى ${\mathrm{1<!--\; -->0}}^5\mathrm{V}$.

آليّة توليد الأشعّة السينيّة

نتائج نشاط الكتاب، الصفحة 229: تُنتزع الإلكترونات من سلك التنغستين نتيجة تسخينه إلى درجة حرارةٍ مناسبة، أي بالفعل الكهرحراريّ، ثمّ يسرّعها الحقل الكهربائيّ الشديد بين المصعد والمهبط. تصطدم الإلكترونات المسرَّعة بذرّات الهدف، فيؤدّي جزءٌ منها إلى انتزاع إلكترونٍ من إلكترونات الطبقة الداخليّة في ذرّات الهدف، ويخلّف وراءه ثقباً. وينتقل أحد إلكترونات الطبقات العليا لذرّات مادّة الهدف بسرعةٍ ليحلّ في الثقب، ويرافق ذلك إصدار فوتوناتٍ ذات طاقةٍ عالية جدّاً هي الأشعّة السينيّة. ويؤدّي اصطدام الجزء الأكبر من الإلكترونات بذرّات الهدف إلى تحوّل كامل طاقتها الحركيّة إلى طاقةٍ حراريّة.

أقصر طول موجة

طاقة الفوتونات تساوي بقيمتها العظمى الطاقة الحركيّة للإلكترونات المسرَّعة التي تسبّب إصدارها، الكتاب، الصفحة 230، والإلكترون يكتسب من الحقل $E_k=e{U}_{AC}$:

تذكّر: «أستنتجُ أنَّ أقصرَ طولِ موجةٍ لفوتونِ الأشعّةِ السّينيّةِ يتوقّفُ على فرقِ الكمونِ الكهربائيِّ المُطبّقِ بينَ طرفَي أنبوبِ توليدِ الأشعّةِ السّينيّة.» الكتاب، الصفحة 230.

ويمكن تغيير فرق الكمون بين المصعد والمهبط بتغيير وضع زالقة، فتتغيّر طاقة تسريع الإلكترونات، فتتغيّر الطبقة الذرّيّة التي يُقتلع منها الإلكترون في ذرّات الهدف، وتتغيّر بالتالي طاقة الأشعّة السينيّة الصادرة. أمّا تغيير وضع زالقة دارة التسخين فيغيّر حرارة السلك، ممّا يغيّر عدد الإلكترونات التي يُصدرها، فتتغيّر شدّة الأشعّة المهبطيّة وتتغيّر بالتالي شدّة الأشعّة السينيّة. الكتاب، الصفحة 230.

انتبه: 🚨 التوتّر في المقام: كلّما زاد $U_{AC}$ قصر ${\lambda }_{\text{m<!-- -->i<!-- -->n}}$ وزادت طاقة الأشعّة. والتسخين لا يغيّر ${\lambda }_{\text{m<!-- -->i<!-- -->n}}$، بل الشدّة.

خواصّ الأشعّة السينيّة

يعدّد الكتاب، الصفحة 230، ثماني خواصّ: 1. ذات طبيعةٍ موجيّة، فهي أمواجٌ كهرطيسيّة أطوال موجاتها قصيرةٌ جدّاً، تتراوح بين $\mathrm{1<!--\; -->3<!--\; -->.<!--\; -->6}\mathrm{n}\mathrm{m}$ و$\mathrm{0<!--\; -->.<!--\; -->0<!--\; -->0<!--\; -->1}\mathrm{n}\mathrm{m}$، لذلك تكون طاقتها عاليةً جدّاً. 2. ذات قدرةٍ عالية على النفاذ بسبب قصر طول موجتها. 3. لا يمكن أن تصدر إلّا من ذرّات العناصر الثقيلة نسبيّاً بعد تهييجها بطريقةٍ مناسبة، أو من الإلكترونات المسرَّعة بعد كبحها ضمن وسطٍ مادّيّ. 4. تشبه الضوء المرئيّ في الانتشار المستقيم والانعكاس والتداخل والانعراج، وسرعة انتشارها تساوي سرعة انتشار الضوء في الخلاء.

5. لا تملك شحنةً كهربائيّة، فلا تتأثّر بالحقلين الكهربائيّ والمغناطيسيّ. 6. تسبّب تألّق الموادّ التي تسقط عليها، وتؤثّر في أفلام التصوير. 7. تؤثّر في الأنسجة الحيّة: تخرّب الخلايا الحيّة إذا استمرّ تعرّضها لها، لذا تُستعمل الألبسة التي يدخل في تركيبها الرصاص للوقاية منها. 8. تؤيّن الغازات: فوتوناتها ذات طاقةٍ كبيرة تكفي لتأيين الغاز الذي تخترقه.

انتبه: 🚨 الأشعّة المهبطيّة إلكتروناتٌ مشحونة فتنحرف في الحقلين، كما مرّ في درس الأشعّة المهبطيّة. أمّا الأشعّة السينيّة فأمواجٌ كهرطيسيّة بلا شحنة، فلا تنحرف.

امتصاص الأشعّة السينيّة ونفاذها

تتوقّف قابليّة امتصاص الأشعّة السينيّة ونفاذها، الكتاب، الصفحة 231، على: 1. ثخن المادّة: تزداد نسبة الأشعّة الممتصّة وتقلّ نسبة النافذة كلّما ازداد ثخن المادّة. 2. كثافة المادّة: تزداد نسبة الأشعّة الممتصّة بازدياد كثافة المادّة، كالرصاص والذهب والعظام، وتزداد نسبة النافذة بنقصان الكثافة، كالخشب والبلاستيك وجلد الإنسان، لذلك يُستخدم نوعٌ منها في تشخيص الكسور. 3. طاقة الأشعّة: تتعلّق قدرة الأشعّة السينيّة على النفاذ بطاقتها المرتبطة بقيمة فرق الكمون المطبّق على أنبوب توليدها.

ونميّز نوعين من حيث الطاقة: 1. الأشعّة الليّنة: أطوال موجاتها $1\mathrm{n}\mathrm{m}<\lambda <\mathrm{1<!--\; -->3<!--\; -->.<!--\; -->6}\mathrm{n}\mathrm{m}$، طاقتها منخفضةٌ نسبيّاً، امتصاصها كبير ونفاذها قليل. 2. الأشعّة القاسية: أطوال موجاتها $\mathrm{0<!--\; -->.<!--\; -->0<!--\; -->0<!--\; -->1}\mathrm{n}\mathrm{m}\le \lambda \le 1\mathrm{n}\mathrm{m}$، طاقتها عالية، امتصاصها قليل ونفاذها كبير.

ومن استخداماتها، في إثراء الكتاب، الصفحتان 231 و232: تصوير الكسور والتشوّهات ونخر الأسنان، ومعالجة الأورام السرطانيّة بجرعاتٍ صغيرة، وتعقيم معدّاتٍ طبّيّة لا تُعقَّم بالحرارة، واختبار جودة الموادّ المصنّعة واللحامات المعدنيّة، ودراسة البلّورات، والكشف عن الموادّ الممنوعة في المنافذ الحدوديّة.

من الكتاب: مسألة