Fizica nu doare: Radiațiile X

Radiațiile X sunt unde electromagnetice care penetrează materialul și excită o emulsie de argint pe un film (la radiațiile cu film) sau niște senzori de radiații (la tomografiile computerizate). Rezultatul e imaginea radiografică. Fizica e sexy.

Uite mai jos, ca să vă aduceți aminte, poza cu spectrul electromagnetic. Scurt, ca să nu vă plictisesc, că știu că deja sunteți mama și tata undelor:

• Undele electromagnetice reprezintă un transfer de energie care se poate propaga și prin vid, spre deosebire de undele mecanice (de exemplu, sunetul, sau valurile mării), care au nevoie de un mediu de propagare (în vid nu există sunet, iar fără apă nu există valuri).
• Undele au frecvență (număr de oscilații pe secundă, sau de vârfuri de val, dacă vă imaginați unda ca un val) și lungime de undă (distanța între două vârfuri de val); în funcție de cele două caracteristici, undele electromagnetice se distribuie pe spectru așa cum arată poza de mai jos.

Radiațiile X și gamma sunt undele cu cea mai mică lungime de undă și cu cea mai mare frecvență; au o energie foarte mare, și pot trece prin materie ca lumina printr-o fereastră transparentă. Ca idee, radiațiile X au frecvența medie de 10 milioane de trilioane de oscilații pe secundă. Adică foarte foarte multe.

1.      Un pic de istorie

Radiațiile X au fost descoperite din greșeală de un nene Röntgen, în timp ce se juca cu un tub catodic în laborator. Omul le-a spus radiații X pentru că nu știa ce-s alea, și așa le-a rămas numele, deși mai sunt cunoscute și drept radiații Röntgen, spre ciuda domnului cu același nume, care s-ar fi împotrivit puternic să le dea numele lui. Se pare că nu s-a împotrivit deloc atunci când a primit premiul Nobel pentru această descoperire.

2.      Fizica din spate

Generarea radiațiilor X se bazează pe emisia termoelectronică al materialelor (îi mai zice și emisie termionică, pentru cititorii de wikipedia), care zice cam așa: în momentul în care un material este încălzit, electronii din straturile exterioare ale atomilor se vântură afară din învelișul electronic. Probabil că li se face prea cald, și vor să se răcorească un pic. Cu cât este mai cald materialul, cu atât mai mulți electroni sunt emiși.

Dacă electronii ăștia, care au sarcină negativă, sunt atrași de o sursă pozitivă (hai să-i zicem anod), se cară definitiv de lângă materialul care i-a emis. Cu cât diferența de potențial (adică tensiunea) între sursa de electroni (catod) și sursa pozitivă (anod) este mai mare, cu atât electronii prind viteză mai mare.

Dar pentru că noi nu vrem curent electric, ci vrem radiații X, nu lăsăm electronii să se plimbe între anod și catod cum au ei chef, ci îi frânăm pe catod izbindu-i de o plăcuță de metal (care trebuie să reziste la temperaturi foarte mari; de exemplu, wolfram), după care stăm și admirăm două efecte:

• Emisia de căldură – cea mai mare parte a energiei generată de frânare este transformată în căldură (din cauza asta, catodul trebuie să aibă un sistem de răcire bine pus la punct)
• Emisia de fotoni (radiații X) – ta-daaaaaa!

De fapt, radiațiile X sunt emise ca urmare a bombardării unor materiale cu electroni.

3.      Cum arată un generator de radiații X

Haideți să vă desenez:

4.      Proprietățile radiațiilor X

Cele mai importante 2 lucruri pe care trebuie să le știți despre efectul radiațiilor sunt

1. Sunt penetrante, adică intră în materie fără nicio problemă, și în funcție de structura atomică a materialelor, de densitate și de omogenitate, sunt absorbite, atenuate sau împrăștiate prin material. O parte din ele trece fără a fi modificată până pe partea opusă a materiei, unde este filmul sau senzorii de detectare a radiației, pe care se creează imaginea radiografică (vedem mai jos cum).
2. Au efect ionizant. În cazul filmului radiografic, chestia asta e o treabă bună, pentru că așa se formează imaginea, dar în cazul corpului uman, ionizarea poate duce la probleme serioase, acolo unde este vorba de doze mari de radiații.

Despre faptul că radiațiile trec prin materie, cred, nu mai trebuie să discutăm mare lucru – sunt unde electromagnetice, e clar că trec prin orice.

Efectul ionizant, însă, este foarte mișto, pentru că este explicat prin cealaltă caracteristică a undelor electromagnetice – ele nu sunt doar unde, ci și emisii de particule discrete (fotoni).

5.      Efectul ionizant al radiațiilor

Să ne imaginăm radiația X nu ca o undă care oscilează, ci ca o emisie liniară de particule mici-mici-mici. Fotoni.

După care ne imaginăm atomul, cu nucleul și învelișul de electroni – hai să zicem că electronii ăștia sunt niște biluțe.

Atunci când fotonii lovesc învelișul electronic al atomului, în funcție de energia lor, se pot întâmpla trei chestii, care în final au toate același efect asupra materiei – atomii rămân săraci de electroni, deci ioni pozitivi:

1. La energii mici ale radiației, apare efectul fotoelectric: fotonii se pocnesc de electroni, sunt absorbiți și le transferă toată energia; prin urmare, electronii sunt centrifugați afară din învelișul atomic, iar atomul rămâne ion pozitiv. Mai sus vedeți efectul fotoelectric într-un gif ciordit de aici.
2. La energii mari ale radiației, apare efectul Compton, care e ca un fel de biliard cu particule: Fotonul pocnește electronul cum pocnește bila albă o altă bilă la biliard, îl scoate afară din orbită, dar nu este absorbit, ci deviat. Asta produce radiația împrăștiată, dar și ionul pozitiv.
3. La energii foarte mari ale radiației se produce formarea de perechi – fotonul se dezintegrează într-o pereche pozitron – electron; nu mai intru în detalii aici, vorbim în comentarii, dacă vă interesează.

Ionizarea poate fi nasoală pentru corpul uman, atunci când vorbim de cantități mari de radiații: la doze mici, o celulă ionizată se poate repara, pentru că atât de awesome e organismul nostru. La doze mari, celulele pot muri sau muta în celule canceroase.

DAR.

În ultima parte a articolului vă povestesc despre cantitățile de radiații pe care le putem suporta fără probleme. Deci nu vă speriați, că doza face diferența.

6.      Imaginea radiografică

Spuneam mai sus că atunci când radiațiile trec prin materie, ele sunt atenuate, absorbite sau împrăștiate, dar o parte din ele trece nestingherită până pe partea cealaltă.

Dacă acolo este pus un film, radiația emergentă (adică aia care iese) transformă prin ionizare emulsia de argint de pe film. Cu cât radiația emergentă este mai puternică (adică a fost atentuată mai puțin prin material), cu atât filmul iese mai negru, și vițăvercea. Dacă sunt senzori de radiații, atunci ei transformă imaginea digital în funcție de radiația înregistrată.

Dacă vă uitați la imaginea de mai jos, o să vedeți care e faza cu atenuarea:

• oasele au densitate mai mare, deci atenuează mai mult din radiații – imaginea iese mai albă
  • mușchii au densitate mai mică, deci atenuează mai puțin – imaginea iese mai închisă

7.      Siguranța radiațiilor

Pentru că efectul radiațiilor ionizante asupra organismului uman este destul de serios, toată partea de securitate radiologică și limitare a dozelor este extrem de riguroasă.

Efectul biologic al radiațiilor (absorbite de corpul uman) este măsurat în Sievert (Sv).

Sievert facts:

• Suntem expuși natural la doze de 2-3 mSv (adică 1/ o mie de Sievert) pe an, și ne doare la bască de asta, pentru că organismul nostru poate suporta fără probleme așa o doză
• O banană conține o cantitate de 98 nSv (adică 1/1 miliard de Sievert) de radiații
• 10-30 mSv (adică 1/1 mie de Sievert) are o tomografie computerizată completă a corpului cu radiații X
• 5-10 μSv (adică 1/ 1 milion de Sievert) are o radiografie dentară cu radiații X
• 20mSv (1/1 mie de Sievert) pe an (mediu, pe o perioadă de 5 ani) este doza maximă recomandată Comisia Internatională pentru Radioprotecție pentru persoanele care muncesc în mediul radioactiv
• 1Sv este doza maximă admisă pentru astronauții NASA, pe parcursul întregii cariere
• 5-6 Sv în doză unică se cam lasă cu moarte

Deci o singură radiografie nu te omoară și nu-ți cauzează cancer.

Nothing in life is to be feared, it is only to be understood. Now is the time to understand more, so that we may fear less.

Marie Curie

Daca va place ce scriem, daca va place cum scriem, daca stiti ca am ramas din ce in ce mai putini oameni verticali si cu coloana, puteti sustine munca noastra.