Η θέση των ακτίνων Χ στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Φαντάσου όλους τους τύπους φωτός και ενέργειας στον κόσμο σαν τα χρώματα του ουράνιου τόξου. Το φως που βλέπουμε με τα μάτια μας είναι μόνο ένα μικρό κομματάκι αυτού του τεράστιου ουράνιου τόξου. Υπάρχουν κι άλλα «χρώματα» που δεν τα βλέπουμε, όπως τα ραδιοκύματα που φέρνουν μουσική στο ραδιόφωνο του αυτοκινήτου, τα μικροκύματα που ζεσταίνουν το φαγητό μας, και οι ακτίνες Χ που χρησιμοποιεί ο γιατρός για να δει τα κόκαλά μας. Όλα αυτά μαζί, ορατά και αόρατα, σχηματίζουν μια μεγάλη οικογένεια που την ονομάζουμε ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Κάθε μέλος αυτής της οικογένειας ταξιδεύει με τη μορφή κυμάτων, σαν τις ρυτίδες που κάνει μια πέτρα όταν πέφτει στο νερό, αλλά το καθένα έχει τη δική του μοναδική δύναμη και ταχύτητα «παλμού».

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (EM) είναι η ταξινόμηση όλων των γνωστών ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών ανάλογα με τη συχνότητα (f) ή το μήκος κύματός (λ) τους. Η σχέση τους είναι αντίστροφα ανάλογη και περιγράφεται από τον τύπο c = fλ, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό (περίπου 3x10⁸ m/s). Το φάσμα εκτείνεται από τα ραδιοκύματα (μεγάλο μήκος κύματος, χαμηλή συχνότητα και ενέργεια) έως τις ακτίνες γάμμα (μικρό μήκος κύματος, υψηλή συχνότητα και ενέργεια). Η ενέργεια ενός φωτονίου, του κβαντικού σωματιδίου της ακτινοβολίας, είναι ανάλογη της συχνότητάς του (E = hf, όπου h η σταθερά του Planck). Οι ακτίνες Χ βρίσκονται στο υψηλής ενέργειας τμήμα του φάσματος, μεταξύ της υπεριώδους ακτινοβολίας και των ακτίνων γάμμα, με ενέργειες που κυμαίνονται από περίπου 100 ηλεκτρονιοβόλτ (eV) έως μερικές εκατοντάδες χιλιάδες ηλεκτρονιοβόλτ (keV).

Φαντάσου ότι κάνεις κυματάκια σε μια λίμνη. Αν ρίξεις μια μικρή πετρούλα, τα κυματάκια θα είναι μικρά και κοντά το ένα στο άλλο. Αν ρίξεις μια μεγάλη πέτρα, τα κύματα θα είναι μεγάλα και πιο αραιά. Το μήκος κύματος είναι ακριβώς αυτό: η απόσταση από την κορυφή ενός κύματος μέχρι την κορυφή του επόμενου. Στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, τα ραδιοκύματα είναι σαν τα τεράστια, αργά κύματα του ωκεανού, με μήκος που μπορεί να φτάσει χιλιόμετρα. Αντίθετα, οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα είναι σαν τα μικροσκοπικά, γρήγορα κυματάκια που κάνει μια σταγόνα βροχής σε μια λακκούβα. Το μήκος κύματός τους είναι τόσο μικρό που δεν μπορούμε καν να το φανταστούμε!

Το μήκος κύματος, που συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα λάμδα (λ), είναι ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό ενός κύματος. Ορίζεται ως η χωρική περίοδος του κύματος, δηλαδή η απόσταση στην οποία το σχήμα του κύματος επαναλαμβάνεται. Στο πλαίσιο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, μετριέται σε μονάδες μήκους, όπως μέτρα (m), εκατοστά (cm), νανόμετρα (nm) ή ångströms (Å). Για παράδειγμα, το ορατό φως έχει μήκη κύματος από περίπου 400 nm (ιώδες) έως 700 nm (κόκκινο). Οι ακτίνες Χ έχουν πολύ μικρότερα μήκη κύματος, συνήθως από 0.01 έως 10 nm. Αυτό το εξαιρετικά μικρό μήκος κύματος είναι που τους επιτρέπει να διεισδύουν στην ύλη και να αλληλεπιδρούν με τα άτομα, καθιστώντας τις χρήσιμες στην ιατρική απεικόνιση και την κρυσταλλογραφία.

Φαντάσου ότι χτυπάς ένα τύμπανο. Αν το χτυπάς αργά, μία φορά κάθε λίγα δευτερόλεπτα, έχεις χαμηλή συχνότητα. Αν το χτυπάς πολύ γρήγορα, πολλές φορές σε ένα δευτερόλεπτο, έχεις υψηλή συχνότητα. Η συχνότητα στην ακτινοβολία είναι ακριβώς αυτό: πόσο γρήγορα «πάλλεται» ένα κύμα πάνω-κάτω σε ένα συγκεκριμένο σημείο. Τα κύματα με μεγάλο μήκος κύματος, όπως τα ραδιοκύματα, είναι σαν τα αργά χτυπήματα στο τύμπανο—έχουν χαμηλή συχνότητα. Τα κύματα με μικρό μήκος κύματος, όπως οι ακτίνες Χ, είναι σαν το πολύ γρήγορο, συνεχόμενο χτύπημα—έχουν τεράστια συχνότητα. Είναι σαν να προσπαθούν να χωρέσουν εκατομμύρια κυματάκια μέσα σε ένα μόνο δευτερόλεπτο!

Η συχνότητα (f) είναι ο αριθμός των ταλαντώσεων ή κύκλων που πραγματοποιεί ένα κύμα ανά μονάδα χρόνου. Η μονάδα μέτρησής της στο Διεθνές Σύστημα (SI) είναι το Hertz (Hz), όπου 1 Hz ισούται με έναν κύκλο ανά δευτερόλεπτο. Η συχνότητα είναι αντίστροφα ανάλογη του μήκους κύματος (f = c/λ). Αυτό σημαίνει ότι όσο μικραίνει το μήκος κύματος, τόσο αυξάνεται η συχνότητα. Οι ακτίνες Χ χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλές συχνότητες, που κυμαίνονται από περίπου 30 petahertz (PHz, 3x10¹⁶ Hz) έως 30 exahertz (EHz, 3x10¹⁹ Hz). Αυτή η εξαιρετικά υψηλή συχνότητα είναι άμεσα συνδεδεμένη με την υψηλή ενέργεια που μεταφέρουν τα φωτόνια των ακτίνων Χ, καθιστώντας τες ικανές να προκαλέσουν ιονισμό της ύλης.

Σκέψου ξανά το τύμπανο. Για να το χτυπάς αργά (χαμηλή συχνότητα), δεν χρειάζεσαι πολλή δύναμη. Για να το χτυπάς όμως πολύ γρήγορα (υψηλή συχνότητα), πρέπει να βάλεις πολλή ενέργεια! Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ραδιοκύματα, με τη χαμηλή τους συχνότητα, είναι χαμηλής ενέργειας—περνούν μέσα από το σώμα μας χωρίς να τα καταλαβαίνουμε. Οι ακτίνες Χ, όμως, έχουν τόσο υψηλή συχνότητα που κουβαλούν τεράστια ενέργεια. Αυτή η ενέργεια είναι τόσο μεγάλη που τους επιτρέπει να περνούν μέσα από το δέρμα μας, αλλά σταματούν στα πιο σκληρά υλικά, όπως τα κόκαλα. Γι' αυτό ακριβώς τις χρησιμοποιούμε για να βγάζουμε ακτινογραφίες και να βλέπουμε τι συμβαίνει μέσα μας.

Η ενέργεια ενός φωτονίου είναι ευθέως ανάλογη της συχνότητάς του, σύμφωνα με τη θεμελιώδη σχέση του Planck: E = hf, όπου h είναι η σταθερά του Planck (περίπου 6.626 x 10⁻³⁴ J·s). Λόγω των εξαιρετικά υψηλών συχνοτήτων τους, τα φωτόνια των ακτίνων Χ είναι πολύ ενεργητικά. Στη φυσική υψηλών ενεργειών, η ενέργεια μετριέται συνήθως σε ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Ένα eV είναι η ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο όταν επιταχύνεται από μια διαφορά δυναμικού ενός volt. Οι ενέργειες των ακτίνων Χ κυμαίνονται από περίπου 100 eV έως 100 keV (κιλο-ηλεκτρονιοβόλτ) για τις διαγνωστικές ακτίνες, και μπορούν να φτάσουν τα MeV (μέγα-ηλεκτρονιοβόλτ) σε βιομηχανικές ή ερευνητικές εφαρμογές. Αυτή η υψηλή ενέργεια είναι η αιτία της ιονίζουσας φύσης τους.

Ενώ φανταζόμαστε το φως σαν κύμα, μερικές φορές συμπεριφέρεται και σαν να είναι φτιαγμένο από μικροσκοπικά μπαλάκια ενέργειας. Αυτά τα «ενεργειακά πακέτα» ονομάζονται φωτόνια. Σκέψου το σαν μια μάνικα κήπου: από μακριά το νερό φαίνεται σαν συνεχής ροή (κύμα), αλλά αν το δεις από πολύ κοντά, θα δεις ότι αποτελείται από αμέτρητες μικρές σταγόνες (φωτόνια). Κάθε τύπος ακτινοβολίας έχει τα δικά του φωτόνια. Τα φωτόνια του ραδιοφώνου είναι πολύ «αδύναμα», ενώ τα φωτόνια των ακτίνων Χ είναι απίστευτα δυνατά. Όταν ένα φωτόνιο ακτίνας Χ χτυπήσει κάτι, είναι σαν μια μικροσκοπική, ενεργειακή σφαίρα που μπορεί να προκαλέσει αλλαγές σε ό,τι συναντήσει.

Το φωτόνιο είναι το στοιχειώδες σωματίδιο, ή κβάντο, του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όπως το φως και οι ακτίνες Χ. Δεν έχει μάζα ηρεμίας και ηλεκτρικό φορτίο, και κινείται πάντα με την ταχύτητα του φωτός (c) στο κενό. Η ενέργεια ενός φωτονίου, όπως περιγράφεται από τη σχέση του Planck (E=hf), καθορίζει τη συμπεριφορά του. Στις χαμηλές ενέργειες του φάσματος, η κυματική φύση της ακτινοβολίας κυριαρχεί. Ωστόσο, στις υψηλές ενέργειες των ακτίνων Χ και γάμμα, η σωματιδιακή φύση γίνεται κυρίαρχη. Η αλληλεπίδραση των ακτίνων Χ με την ύλη, όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ή η σκέδαση Compton, περιγράφεται καλύτερα ως συγκρούσεις μεταξύ μεμονωμένων φωτονίων και ατομικών ηλεκτρονίων.

Τα πάντα γύρω μας είναι φτιαγμένα από μικροσκοπικά δομικά στοιχεία που λέγονται άτομα. Τα άτομα έχουν στο κέντρο τους έναν πυρήνα και γύρω-γύρω γυρίζουν ακόμα πιο μικρά σωματίδια, τα ηλεκτρόνια, σαν πλανήτες γύρω από τον ήλιο τους. Οι ακτινοβολίες χαμηλής ενέργειας, όπως το φως του ήλιου, απλά «χαϊδεύουν» τα άτομα καθώς περνούν. Η ιονίζουσα ακτινοβολία, όμως, είναι τόσο δυνατή που όταν το φωτόνιό της χτυπήσει ένα άτομο, μπορεί να του «κλέψει» ένα ηλεκτρόνιο! Είναι σαν να έρχεται μια μπάλα του μπόουλινγκ και να πετάει μακριά μια κορίνα. Όταν ένα άτομο χάνει ένα ηλεκτρόνιο, αλλάζει και ονομάζεται «ιόν». Οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα είναι ιονίζουσες, και αυτή ακριβώς η ικανότητά τους να αλλάζουν τα άτομα είναι που μπορεί να επηρεάσει τα κύτταρα του σώματός μας.

Ιονίζουσα ονομάζεται κάθε ακτινοβολία που μεταφέρει αρκετή ενέργεια για να αποσπάσει ηλεκτρόνια από τα άτομα ή τα μόρια της ύλης, μετατρέποντάς τα σε ιόντα. Το κατώφλι ενέργειας για τον ιονισμό διαφέρει ανάλογα με το άτομο, αλλά γενικά θεωρείται ότι είναι περίπου 10 eV. Ακτινοβολίες με ενέργεια φωτονίου κάτω από αυτό το όριο, όπως το ορατό φως και τα μικροκύματα, είναι μη-ιονίζουσες. Οι ακτίνες Χ, με ενέργειες που ξεκινούν από τα 100 eV και άνω, ανήκουν κατηγορηματικά στις ιονίζουσες ακτινοβολίες. Αυτή η διαδικασία του ιονισμού είναι η βάση τόσο για τις βιολογικές επιδράσεις (καταστροφή DNA στα κύτταρα) όσο και για τις διαγνωστικές εφαρμογές τους (διαφορετική απορρόφηση σε ιστούς διαφορετικής πυκνότητας). Η βιολογική επίδραση μετριέται σε μονάδες όπως το Gray (Gy) για την απορροφούμενη δόση και το Sievert (Sv) για την ισοδύναμη δόση.

Η μη ιονίζουσα ακτινοβολία είναι το «ήρεμο» κομμάτι του φάσματος. Είναι ακτινοβολία που δεν έχει αρκετή ενέργεια για να «κλέψει» ηλεκτρόνια από τα άτομα. Σκέψου τη σαν ένα απαλό αεράκι που περνάει δίπλα από ένα δέντρο. Μπορεί να κουνήσει λίγο τα φύλλα, αλλά δεν μπορεί να ξεριζώσει το δέντρο. Με τον ίδιο τρόπο, οι μη ιονίζουσες ακτινοβολίες, όπως τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα του φούρνου μας, το υπέρυθρο φως από τη φωτιά και το ορατό φως, περνούν μέσα από το σώμα μας ή αλληλεπιδρούν μαζί του χωρίς να προκαλούν ιονισμό. Το μόνο που μπορούν να κάνουν είναι να ζεστάνουν τα πράγματα, όπως ακριβώς κάνει ο φούρνος μικροκυμάτων με το φαγητό, κάνοντας τα μόρια του νερού να δονούνται γρήγορα.

Η μη ιονίζουσα ακτινοβολία περιλαμβάνει το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος του οποίου τα φωτόνια δεν διαθέτουν την ελάχιστη ενέργεια (περίπου 10 eV) που απαιτείται για τον ιονισμό των ατόμων. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα, την υπέρυθρη, την ορατή και μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας. Οι κύριες αλληλεπιδράσεις της με τη βιολογική ύλη είναι θερμικές (όπως στα μικροκύματα) ή φωτοχημικές (όπως η ενεργοποίηση της βιταμίνης D από την UV ακτινοβολία). Αν και γενικά θεωρείται ασφαλέστερη από την ιονίζουσα, η παρατεταμένη έκθεση σε υψηλής έντασης πηγές, όπως οι ισχυροί πομποί ραδιοσυχνοτήτων, υπόκειται σε κανονισμούς ασφαλείας για την αποφυγή θερμικής βλάβης των ιστών.

Η υπεριώδης ακτινοβολία, που οι περισσότεροι ξέρουμε ως UV από τον ήλιο, είναι ο «μεσολαβητής» του φάσματος. Βρίσκεται ακριβώς στο όριο, με ένα μέρος της να είναι μη ιονίζουσα και ένα άλλο, πιο ενεργητικό, να είναι ιονίζουσα. Φαντάσου την σαν έναν ποδοσφαιριστή που σουτάρει μια μπάλα προς το τέρμα. Μερικά σουτ είναι αδύναμα και ο τερματοφύλακας τα πιάνει εύκολα (μη-ιονίζουσα UV-A). Άλλα σουτ είναι πιο δυνατά, ζορίζουν τον τερματοφύλακα και μπορεί να του προκαλέσουν κάψιμο στα χέρια (ιονίζουσα UV-B, που προκαλεί το ηλιακό έγκαυμα). Τα πιο δυνατά σουτ (UV-C) είναι τόσο επικίνδυνα που, ευτυχώς για εμάς, η ατμόσφαιρα της Γης τα σταματάει πριν φτάσουν σε εμάς, σαν ένας αμυντικός που κόβει την μπάλα πριν φτάσει στο τέρμα.

Η υπεριώδης ακτινοβολία (UV) καταλαμβάνει το τμήμα του φάσματος μεταξύ του ορατού φωτός και των ακτίνων Χ, με μήκη κύματος από 100 έως 400 nm. Υποδιαιρείται σε τρεις ζώνες: UV-A (315-400 nm), UV-B (280-315 nm) και UV-C (100-280 nm). Η ενέργεια των φωτονίων της κυμαίνεται από 3.1 eV έως 12.4 eV. Η UV-A και το μεγαλύτερο μέρος της UV-B θεωρούνται μη-ιονίζουσες, αλλά μπορούν να προκαλέσουν χημικές αντιδράσεις, όπως βλάβες στο DNA του δέρματος που οδηγούν σε εγκαύματα και αυξημένο κίνδυνο καρκίνου. Η UV-C και το πιο ενεργητικό άκρο της UV-B είναι ιονίζουσες. Το στρώμα του όζοντος στην ατμόσφαιρα απορροφά σχεδόν όλη την UV-C και το μεγαλύτερο μέρος της UV-B, προστατεύοντας τη ζωή στη Γη. Η θέση της UV ακριβώς πριν τις ακτίνες Χ σηματοδοτεί τη μετάβαση σε ακτινοβολίες με σαφώς ιονίζουσα ικανότητα.

Οι ακτίνες Χ είναι σαν υπερ-δυνατά, αόρατα φώτα. Φαντάσου ότι έχεις έναν φακό του οποίου το φως μπορεί να περάσει μέσα από έναν τοίχο! Έτσι ακριβώς λειτουργούν και οι ακτίνες Χ με το σώμα μας. Έχουν τόση πολλή ενέργεια που μπορούν να διαπεράσουν εύκολα τους μαλακούς ιστούς, όπως το δέρμα και οι μύες, σαν να μην υπάρχουν. Όταν όμως συναντήσουν κάτι πιο πυκνό και σκληρό, όπως τα κόκαλά μας, δυσκολεύονται να περάσουν και ένα μεγάλο μέρος τους σταματάει εκεί. Γι' αυτό, όταν ο γιατρός βγάζει μια ακτινογραφία, το φιλμ πίσω από το σώμα σου «φωτίζεται» παντού εκτός από τα σημεία όπου βρίσκονται τα κόκαλα. Έτσι, τα κόκαλα αφήνουν μια «σκιά» στο φιλμ, επιτρέποντας στον γιατρό να δει αν υπάρχει κάποιο σπάσιμο.

Οι ακτίνες Χ είναι μια μορφή ιονίζουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με μήκη κύματος μικρότερα από την υπεριώδη ακτινοβολία και μεγαλύτερα από τις ακτίνες γάμμα, συνήθως στην περιοχή 0.01 έως 10 nm. Παράγονται τεχνητά σε λυχνίες ακτίνων Χ, όπου ηλεκτρόνια υψηλής ταχύτητας επιβραδύνονται απότομα καθώς προσκρούουν σε έναν μεταλλικό στόχο (συνήθως βολφράμιο), εκπέμποντας την κινητική τους ενέργεια ως φωτόνια ακτίνων Χ (φαινόμενο bremsstrahlung). Λόγω της υψηλής τους ενέργειας (100 eV - 100+ keV), αλληλεπιδρούν έντονα με τα ηλεκτρόνια των ατόμων. Η κύρια ιδιότητά τους είναι η διεισδυτικότητα, η οποία εξαρτάται από την ενέργειά τους και την πυκνότητα του υλικού. Αυτή η διαφορική απορρόφηση μεταξύ υλικών όπως οι μαλακοί ιστοί και τα οστά αποτελεί τη βάση της ιατρικής ακτινογραφίας.

Αν οι ακτίνες Χ είναι ένας υπερ-δυνατός φακός, τότε οι ακτίνες γάμμα είναι ο απόλυτος υπερήρωας της ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Είναι η πιο ισχυρή και διεισδυτική ακτινοβολία απ' όλες. Ενώ οι ακτίνες Χ γεννιούνται από τις κινήσεις των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου, οι ακτίνες γάμμα γεννιούνται μέσα στην ίδια την «καρδιά» του ατόμου, στον πυρήνα του, συνήθως όταν αυτός διασπάται. Σκέψου τις σαν μια κραυγή ενέργειας που βγαίνει από έναν ασταθή πυρήνα που προσπαθεί να ηρεμήσει. Η ενέργειά τους είναι τόσο τεράστια που μπορούν να περάσουν μέσα από τοίχους από μπετόν, γι' αυτό και είναι πολύ χρήσιμες στην ιατρική για την καταστροφή καρκινικών κυττάρων (ακτινοθεραπεία), αλλά ταυτόχρονα και πολύ επικίνδυνες αν δεν τις διαχειριστούμε με μεγάλη προσοχή.

Οι ακτίνες γάμμα (γ) είναι η πιο ενεργητική μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, με τα μικρότερα μήκη κύματος (συνήθως < 10 picometers) και τις υψηλότερες συχνότητες (>30 EHz). Η κύρια διαφορά τους από τις ακτίνες Χ δεν είναι πάντα η ενέργειά τους (καθώς οι περιοχές τους αλληλεπικαλύπτονται), αλλά η προέλευσή τους. Οι ακτίνες γάμμα εκπέμπονται από τον ατομικό πυρήνα κατά τη διάρκεια ραδιενεργών διασπάσεων, όπως η διάσπαση γάμμα, ή από άλλες υποατομικές και αστροφυσικές διαδικασίες. Η ενέργειά τους κυμαίνεται από μερικά keV έως πολλά MeV. Λόγω της εξαιρετικά υψηλής τους ενέργειας, είναι εξαιρετικά διεισδυτικές και απαιτούν παχιά στρώματα πυκνών υλικών, όπως ο μόλυβδος, για θωράκιση. Οι εφαρμογές τους περιλαμβάνουν την ακτινοθεραπεία, την αποστείρωση ιατρικού εξοπλισμού και την αστρονομία υψηλών ενεργειών.

Φαντάσου ότι έχεις ένα παγάκι που λιώνει. Δεν μπορείς να το σταματήσεις, απλά συμβαίνει από μόνο του μέχρι να γίνει νερό. Κάποιοι ατομικοί πυρήνες είναι έτσι: είναι «δυσαρεστημένοι» ή ασταθείς και θέλουν να αλλάξουν για να γίνουν πιο σταθεροί. Για να το κάνουν αυτό, πετούν έξω μικρά σωματίδια ή ενέργεια, σαν το παγάκι που διώχνει το νερό καθώς λιώνει. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ραδιενεργός διάσπαση. Είναι ένας φυσικός τρόπος για έναν ασταθή πυρήνα να «ηρεμήσει». Οι ακτίνες γάμμα που είδαμε πριν είναι ένας τύπος ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας.

Η ραδιενεργός διάσπαση είναι η στοχαστική διαδικασία κατά την οποία ένας ασταθής ατομικός πυρήνας χάνει ενέργεια εκπέμποντας ακτινοβολία, όπως σωμάτια άλφα, σωμάτια βήτα, νετρόνια ή φωτόνια (ακτίνες γάμμα). Το αρχικό νουκλίδιο (μητρικό) μεταστοιχειώνεται σε ένα διαφορετικό νουκλίδιο (θυγατρικό), το οποίο μπορεί να είναι είτε σταθερό είτε επίσης ραδιενεργό. Ο ρυθμός διάσπασης μιας ποσότητας ραδιενεργού υλικού χαρακτηρίζεται από τη σταθερά διάσπασης (λ) και μετριέται σε Becquerel (Bq), όπου 1 Bq αντιστοιχεί σε μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο. Αυτή η διαδικασία είναι η πηγή της φυσικής ραδιενέργειας και η βάση για εφαρμογές όπως η ραδιοχρονολόγηση και η πυρηνική ενέργεια.

...

Η ακτινοβολία μπορεί να βλάψει το DNA, όπως ένα σκισμένο φερμουάρ. Τα κύτταρα συχνά το επιδιορθώνουν, αλλά αν η βλάβη είναι μεγάλη ή λανθασμένα επιδιορθωμένη, μπορεί να προκαλέσει προβλήματα. Γι' αυτό χρησιμοποιούμε την ακτινοβολία με σεβασμό και σύνεση.

Οι επιδράσεις διακρίνονται σε στοχαστικές (πιθανότητα αυξάνει με δόση, χωρίς κατώφλι — π.χ. καρκινογένεση) και απροσδιόριστες/αποφασιστικές (κατώφλι δόσης — ερύθημα, καταρράκτης). Παράγοντες: LET, ρυθμός δόσης, οξυγόνωση, ηλικία/ιστός.

Η δοσιμετρία είναι σαν να μετράς πόσο «ήλιο» πήρες — μόνο που αντί για ήλιο, μετράς ακτινοβολία. Μας βοηθά να διασφαλίζουμε ότι ο ασθενής λαμβάνει όσο χρειάζεται και ο επαγγελματίας υγείας παραμένει ασφαλής.

Βασικά μεγέθη: απορροφούμενη δόση D (Gy), ισοδύναμη δόση H_T και αποτελεσματική δόση E (Sv). Ανιχνευτές: ιονιστικοί θάλαμοι, TLD/OSL, φιλμ, διατάξεις solid-state. Ο υπολογισμός δόσης σε θεραπείες απαιτεί μοντελοποίηση κατανομών και constraints για OAR.

Καθώς οι ακτίνες Χ περνούν από την ύλη, «χάνονται» σταδιακά: ένα μέρος τους απορροφάται και ένα άλλο σκεδάζεται. Έτσι η δέσμη που φτάνει στον ανιχνευτή είναι πιο αδύναμη. Αυτός είναι ο λόγος που βλέπουμε διαφορετικές σκιές στις ακτινογραφίες: τα οστά μπλοκάρουν περισσότερο, ενώ οι μαλακοί ιστοί λιγότερο.

Η εξασθένηση περιγράφεται από τον νόμο I = I₀·e^{-μx}, όπου μ είναι ο γραμμικός συντελεστής εξασθένησης και x το πάχος. Το μ εξαρτάται από την ενέργεια του φωτονίου και τον ατομικό αριθμό/πυκνότητα του υλικού. Οι συνιστώσες είναι φωτοηλεκτρική απορρόφηση, σκέδαση Compton και (σε υψηλότερες ενέργειες) παραγωγή ζεύγους.

Οι ακτίνες Χ γεννιούνται μέσα σε έναν σωλήνα όπου ηλεκτρόνια εκτοξεύονται και χτυπούν μια μεταλλική άνοδο (συνήθως βολφράμιο). Καθώς «φρενάρουν» απότομα, ένα μέρος της κινητικής τους ενέργειας μετατρέπεται σε ακτινοβολία — σαν ένα αυτοκίνητο που πατάει φρένο και τα φώτα του «ανάβουν» έντονα. Επιπλέον, όταν τα ηλεκτρόνια «βγάζουν» εσώτερα ηλεκτρόνια από τα άτομα της ανόδου, τα κενά γεμίζουν με μεταπτώσεις και εκπέμπονται χαρακτηριστικά φωτόνια συγκεκριμένων ενεργειών.

Η παραγωγή ακτίνων Χ περιλαμβάνει συνεχές φάσμα Bremmstrahlung (επιβράδυνση στο πεδίο του πυρήνα) και χαρακτηριστικές γραμμές (Kα, Kβ κ.λπ.) από ηλεκτρονικές μεταπτώσεις. Η μέγιστη ενέργεια του συνεχούς καθορίζεται από την τάση του σωλήνα (E_max ≈ e·kVp). Η απόδοση εξαρτάται από Z και kVp (≈ k·Z·kVp). Η χρήση κατάλληλης ανόδου/γωνίας και φίλτρων διαμορφώνει το φάσμα για διαγνωστικές εφαρμογές.

Φαντάσου ότι παίζεις στον ήλιο. Ξέρεις ότι ο ήλιος είναι καλός, αλλά αν μείνεις πολλή ώρα μπορεί να καείς. Γι' αυτό, προσέχεις: φοράς καπέλο, βάζεις αντηλιακό και δεν κάθεσαι έξω το μεσημέρι. Η αρχή ALARA είναι ακριβώς το ίδιο πράγμα, αλλά για την ιονίζουσα ακτινοβολία. Είναι ένας απλός κανόνας που λέει ότι πρέπει πάντα να χρησιμοποιούμε τη λιγότερη δυνατή ακτινοβολία για να κάνουμε τη δουλειά μας σωστά. ALARA σημαίνει "As Low As Reasonably Achievable", δηλαδή «Τόσο Χαμηλά Όσο είναι Λογικά Εφικτό». Οι γιατροί και οι τεχνολόγοι ακολουθούν τρεις χρυσούς κανόνες για να το πετύχουν: ελαχιστοποιούν τον χρόνο που βρίσκονται κοντά στην πηγή, μεγιστοποιούν την απόσταση από αυτήν και χρησιμοποιούν προστατευτική θωράκιση.

Η ALARA είναι η θεμελιώδης αρχή της ακτινοπροστασίας, η οποία ορίζει ότι η έκθεση σε ιονίζουσα ακτινοβολία πρέπει να διατηρείται στο χαμηλότερο λογικά εφικτό επίπεδο, λαμβάνοντας υπόψη κοινωνικούς και οικονομικούς παράγοντες. Δεν πρόκειται για την επίτευξη μηδενικής έκθεσης, αλλά για τη βελτιστοποίηση της προστασίας. Η εφαρμογή της βασίζεται σε τρεις πυλώνες: 1) **Χρόνος:** Μείωση της διάρκειας της έκθεσης. Η συνολική δόση είναι ανάλογη του χρόνου (Δόση = Ρυθμός Δόσης × Χρόνος). 2) **Απόσταση:** Αύξηση της απόστασης από την πηγή. Η ένταση της ακτινοβολίας μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης (Νόμος Αντιστρόφου Τετραγώνου). 3) **Θωράκιση:** Παρεμβολή κατάλληλων υλικών (π.χ., μόλυβδος, σκυρόδεμα) μεταξύ της πηγής και του ατόμου για την απορρόφηση της ακτινοβολίας. Αυτή η αρχή είναι κεντρική στον σχεδιασμό και τη λειτουργία όλων των εγκαταστάσεων που χρησιμοποιούν ακτινοβολία.

Οι ακτίνες Χ μάς βοηθούν να «βλέπουμε» μέσα στο σώμα χωρίς χειρουργείο — από απλές ακτινογραφίες μέχρι αξονική τομογραφία.

Συστήματα: ακτινογραφία προβολής με ψηφιακούς ανιχνευτές (DR), φθοροσκόπηση για δυναμικές εξετάσεις, CT με πολυτομικούς ανιχνευτές και ανακατασκευή εικόνας (FBP/iterative). Βελτιστοποίηση παραμέτρων (kVp, mAs, filtration) για ποιότητα/δόση.

Όπως φοράς ζώνη ασφαλείας στο αυτοκίνητο, έτσι και στους χώρους με ακτινοβολία χρησιμοποιούμε τοίχους και προστατευτικά υλικά για να «κόβουν» τη δέσμη πριν φτάσει σε ανθρώπους.

Η επιλογή υλικού βασίζεται σε HVL/TVL και στο ενεργειακό φάσμα. Υλικά υψηλού Z (Pb) για φωτονικά πεδία, σκυρόδεμα για εγκαταστάσεις υψηλών ενεργειών. Σχεδιασμός σύμφωνα με κανονισμούς (workload, occupancy, use factor).

Η ακτινοθεραπεία χρησιμοποιεί την καταστροφική δύναμη της ιονίζουσας ακτινοβολίας για καλό σκοπό: να πολεμήσει τον καρκίνο. Σκέψου τα καρκινικά κύτταρα σαν κακούς εισβολείς σε ένα κάστρο (το σώμα μας). Η ακτινοθεραπεία είναι σαν να στοχεύουμε αυτούς τους εισβολείς με έναν πανίσχυρο, αόρατο «καταπέλτη» που εκτοξεύει ακτίνες Χ ή γάμμα. Αυτές οι ακτίνες έχουν τόση ενέργεια που καταστρέφουν το DNA των καρκινικών κυττάρων, εμποδίζοντάς τα να μεγαλώσουν και να πολλαπλασιαστούν. Οι γιατροί σχεδιάζουν τη θεραπεία με τεράστια ακρίβεια, χρησιμοποιώντας πολλές δέσμες από διαφορετικές γωνίες που συναντιούνται όλες μαζί πάνω στον όγκο. Έτσι, ο όγκος δέχεται τη μέγιστη δόση, ενώ οι γύρω υγιείς ιστοί προστατεύονται όσο το δυνατόν περισσότερο.

Η ακτινοθεραπεία είναι μια θεραπευτική μέθοδος που χρησιμοποιεί υψηλές δόσεις ιονίζουσας ακτινοβολίας για την εξάλειψη καρκινικών κυττάρων και τη συρρίκνωση όγκων. Η αρχή της βασίζεται στο γεγονός ότι τα ταχέως διαιρούμενα κύτταρα, όπως τα καρκινικά, είναι πιο ευάλωτα στη βλάβη του DNA που προκαλεί η ακτινοβολία από ό,τι τα περισσότερα υγιή κύτταρα. Η θεραπεία χορηγείται είτε μέσω εξωτερικής δέσμης (External Beam Radiotherapy, EBRT), όπου ένας γραμμικός επιταχυντής (LINAC) παράγει ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας (MeV), είτε μέσω βραχυθεραπείας, όπου ραδιενεργές πηγές τοποθετούνται εντός ή πλησίον του όγκου. Ο σχεδιασμός της θεραπείας (dosimetry planning) είναι κρίσιμος για τη μεγιστοποίηση της δόσης στον όγκο-στόχο (Target Volume) και την ελαχιστοποίηση της δόσης στα παρακείμενα όργανα σε κίνδυνο (Organs at Risk).