Βασικές Αρχές Ιατρικής Φυσικής: Το Φάσμα των Ακτινών-Χ
1. Τι είναι οι Ακτίνες-Χ; Μια Αόρατη Δύναμη
Φαντάσου ότι το φως που βλέπουμε με τα μάτια μας είναι μόνο ένα χρώμα σε ένα τεράστιο ουράνιο τόξο. Οι ακτίνες-Χ είναι ένα άλλο «χρώμα» σε αυτό το ουράνιο τόξο, ένα χρώμα όμως που τα μάτια μας δεν μπορούν να δουν. Είναι σαν τις ραδιοφωνικές εκπομπές που ταξιδεύουν στον αέρα και φτάνουν στο ραδιόφωνό μας χωρίς να τις βλέπουμε, ή σαν το σήμα του Wi-Fi. Η μεγάλη διαφορά είναι ότι οι ακτίνες-Χ έχουν πάρα πολλή ενέργεια, τόση που μπορούν να διαπερνούν διάφορα υλικά, όπως το δέρμα και τους μυς μας.
Οι ακτίνες-Χ είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Όπως το ορατό φως, οι ραδιοκύματα και οι μικροκυματικές ακτινοβολίες, αποτελούνται από πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια, τα οποία ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Αυτό που τις διαφοροποιεί είναι το πολύ μικρό μήκος κύματός τους (και αντίστοιχα η υψηλή συχνότητα και ενέργειά τους), το οποίο τους προσδίδει την ικανότητα να διεισδύουν στην ύλη.
2. Η Ηλεκτρομαγνητική Οικογένεια
Ας σκεφτούμε όλες τις μορφές αόρατης και ορατής ακτινοβολίας σαν μια μεγάλη οικογένεια, την «ηλεκτρομαγνητική οικογένεια». Σε αυτήν ανήκουν τα ραδιοκύματα (με πολύ χαμηλή ενέργεια), τα μικροκύματα (που ζεσταίνουν το φαγητό μας), το φως που βλέπουμε, η υπεριώδης ακτινοβολία του ήλιου (που μας μαυρίζει) και, στις πιο δυναμικές θέσεις, οι ακτίνες-Χ και οι ακτίνες γάμμα. Όσο πιο «δυνατό» είναι ένα μέλος της οικογένειας, τόσο περισσότερη ενέργεια έχει. Οι ακτίνες-Χ είναι από τα πιο ενεργητικά μέλη, γι' αυτό και έχουν τόσο ιδιαίτερες ιδιότητες.
Το σύνολο αυτών των ακτινοβολιών ονομάζεται ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Η κατάταξη γίνεται με βάση την ενέργεια, τη συχνότητα ή το μήκος κύματος των φωτονίων. Οι ακτίνες-Χ βρίσκονται στο φάσμα μεταξύ της υπεριώδους ακτινοβολίας (UV) και των ακτίνων γάμμα (γ). Η ενέργειά τους είναι αρκετά υψηλή ώστε να προκαλούν ιονισμό των ατόμων, δηλαδή να αποσπούν ηλεκτρόνια από αυτά, μια ιδιότητα-κλειδί για την ιατρική τους χρήση.
3. Πώς «Βλέπουμε» με τις Ακτίνες-Χ;
Φαντάσου ότι πετάς μικρά μπαλάκια του τένις σε έναν τοίχο από τούβλα και δίπλα σε ένα δίχτυ. Τα μπαλάκια θα σταματήσουν στον τοίχο, αλλά θα περάσουν μέσα από το δίχτυ. Οι ακτίνες-Χ συμπεριφέρονται παρόμοια. Όταν πέφτουν πάνω στο σώμα μας, διαπερνούν εύκολα τους μαλακούς ιστούς (όπως το δέρμα και οι μύες, που είναι σαν το «δίχτυ»), αλλά απορροφώνται ή σταματούν από τα πιο πυκνά υλικά, όπως τα οστά (που είναι σαν τον «τοίχο»). Έτσι, στην άλλη πλευρά, ένας ανιχνευτής καταγράφει τη «σκιά» που αφήνουν τα οστά, δημιουργώντας την εικόνα που ξέρουμε ως ακτινογραφία.
Αυτή η διαφορική απορρόφηση είναι η θεμελιώδης αρχή της ακτινοδιαγνωστικής. Η πιθανότητα ένα φωτόνιο ακτίνας-Χ να απορροφηθεί από ένα υλικό εξαρτάται από την ενέργεια του φωτονίου και τον ατομικό αριθμό (Ζ) του υλικού. Υλικά με υψηλό ατομικό αριθμό, όπως το ασβέστιο (Ca) στα οστά, απορροφούν τις ακτίνες-Χ πολύ πιο αποτελεσματικά από υλικά με χαμηλό ατομικό αριθμό, όπως ο άνθρακας (C), το οξυγόνο (O) και το υδρογόνο (H) στους μαλακούς ιστούς.
4. Η Ανακάλυψη που Άλλαξε την Ιατρική
Το 1895, ένας Γερμανός φυσικός, ο Βίλχελμ Ρέντγκεν, πειραματιζόταν σε ένα σκοτεινό εργαστήριο όταν παρατήρησε μια παράξενη λάμψη σε μια οθόνη που βρισκόταν μακριά από τη συσκευή του. Κατάλαβε ότι κάποια αόρατη, άγνωστη ακτινοβολία έβγαινε από τη συσκευή του, περνούσε μέσα από τον αέρα, ακόμα και από χοντρά βιβλία, και προκαλούσε αυτή τη λάμψη. Επειδή δεν ήξερε τι ήταν, τις ονόμασε «ακτίνες Χ», όπου το "Χ" σήμαινε «άγνωστο».
Η πρώτη ακτινογραφία που τράβηξε ήταν του χεριού της γυναίκας του, αποκαλύπτοντας τα οστά της και αλλάζοντας για πάντα τον τρόπο που η ιατρική βλέπει το εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος. Η ανακάλυψη του Ρέντγκεν θεωρείται μία από τις σημαντικότερες στην ιστορία της επιστήμης και της ιατρικής, και του χάρισε το πρώτο ΝόμπελΦυσικής το 1901.
5. Το Εργοστάσιο των Ακτίνων-Χ: Ο Σωλήνας Coolidge
Για να φτιάξουμε ακτίνες-Χ, χρειαζόμαστε ένα ειδικό «εργοστάσιο» που ονομάζεται λυχνία ή σωλήνας ακτίνων-Χ. Φαντάσου έναν γυάλινο σωλήνα από τον οποίο έχουμε αφαιρέσει σχεδόν όλο τον αέρα, δημιουργώντας κενό. Στη μία άκρη του σωλήνα υπάρχει ένα μικρό σύρμα, η κάθοδος, που λειτουργεί σαν την «πλατφόρμα εκτόξευσης». Στην άλλη άκρη υπάρχει ένας μεταλλικός δίσκος, η άνοδος, που είναι ο «στόχος». Αυτά τα δύο εξαρτήματα είναι οι πρωταγωνιστές στη δημιουργία των ακτίνων-Χ.
Ο σύγχρονος σωλήνας ακτίνων-Χ (τύπου Coolidge) είναι μια διάταξη κενού υψηλής τεχνολογίας. Αποτελείται από την κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο), η οποία περιέχει ένα νήμα πυράκτωσης (συνήθως από βολφράμιο), και την άνοδο (θετικό ηλεκτρόδιο), έναν στόχο από μέταλλο με υψηλό ατομικό αριθμό (επίσης συνήθως βολφράμιο). Η λειτουργία του βασίζεται στον έλεγχο δύο βασικών παραμέτρων: του ρεύματος του νήματος και της υψηλής τάσης μεταξύ καθόδου και ανόδου.
6. Βήμα 1: Απελευθερώνοντας Ηλεκτρόνια (Κάθοδος)
Το πρώτο βήμα είναι να δημιουργήσουμε τα «βλήματα» που θα χρησιμοποιήσουμε. Αυτά τα βλήματα είναι τα ηλεκτρόνια. Για να τα ελευθερώσουμε, απλά ζεσταίνουμε πολύ το σύρμα στην κάθοδο, περνώντας μέσα από αυτό ηλεκτρικό ρεύμα, ακριβώς όπως ζεσταίνεται το σύρμα σε μια παλιά λάμπα ή σε μια τοστιέρα. Καθώς το σύρμα πυρακτώνεται, αρχίζει να «πετάει» από πάνω του ηλεκτρόνια, δημιουργώντας ένα «σύννεφο» από ελεύθερα ηλεκτρόνια γύρω του. Είναι σαν να βράζεις νερό σε μια κατσαρόλα: η θερμότητα δίνει ενέργεια στα μόρια του νερού και τα μετατρέπει σε ατμό που απελευθερώνεται.
Αυτή η διαδικασία ονομάζεται θερμιονική εκπομπή. Η αύξηση της θερμοκρασίας του νήματος της καθόδου παρέχει στα ηλεκτρόνια του μετάλλου αρκετή θερμική ενέργεια για να υπερνικήσουν τις ελκτικές δυνάμεις που τα συγκρατούν εντός του υλικού. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ενός νέφους ηλεκτρονίων (space charge) γύρω από το νήμα. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται ανά δευτερόλεπτο (το ρεύμα της λυχνίας, μετρούμενο σε mA) ελέγχεται με ακρίβεια από το ρεύμα που διαρρέει το νήμα.
7. Βήμα 2: Επιταχύνοντας τα Ηλεκτρόνια (Υψηλή Τάση)
Τώρα που έχουμε το σύννεφο των ηλεκτρονίων, πρέπει να τα εκτοξεύσουμε με τρομερή ταχύτητα προς τον στόχο. Για να το πετύχουμε αυτό, εφαρμόζουμε μια πολύ μεγάλη διαφορά τάσης (σαν μια πανίσχυρη μπαταρία) ανάμεσα στην κάθοδο (που είναι αρνητική) και την άνοδο (που είναι θετική). Επειδή τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα, απωθούνται από την αρνητική κάθοδο και έλκονται με τεράστια δύναμη από τη θετική άνοδο. Είναι σαν να τεντώνουμε στο μέγιστο ένα λάστιχο σφεντόνας και να το αφήνουμε: το βλήμα (το ηλεκτρόνιο) επιταχύνεται και αποκτά τεράστια ταχύτητα.
Αυτή η διαφορά δυναμικού, γνωστή ως επιταχύνουσα τάση (μετρούμενη σε kilovolts, kVp), καθορίζει την κινητική ενέργεια που θα αποκτήσουν τα ηλεκτρόνια κατά τη διαδρομή τους προς την άνοδο. Ένα ηλεκτρόνιο που επιταχύνεται από τάση V αποκτά κινητική ενέργεια ίση με e·V, όπου e είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου. Η υψηλή αυτή τάση είναι ο λόγος που τα ηλεκτρόνια προσκρούουν στην άνοδο με ταχύτητες που πλησιάζουν ένα σημαντικό ποσοστό της ταχύτητας του φωτός.
8. Βήμα 3: Η Σύγκρουση (Άνοδος)
Τα ηλεκτρόνια, ταξιδεύοντας πλέον με ιλιγγιώδη ταχύτητα, πέφτουν πάνω στον μεταλλικό στόχο, την άνοδο. Φαντάσου χιλιάδες μικροσκοπικές, ταχύτατες μπάλες να συγκρούονται πάνω σε έναν τοίχο. Αυτή η βίαιη σύγκρουση μετατρέπει την τεράστια κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων σε άλλες μορφές ενέργειας. Η συντριπτική πλειοψηφία αυτής της ενέργειας (πάνω από το 99%!) μετατρέπεται σε θερμότητα, κάνοντας την άνοδο να πυρακτώνεται. Μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό, λιγότερο από 1%, μετατρέπεται σε αυτό που μας ενδιαφέρει: τις ακτίνες-Χ.
Κατά την πρόσκρουση των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας στην άνοδο, η κινητική τους ενέργεια μετατρέπεται κυρίως σε θερμότητα μέσω αλληλεπιδράσεων με τα άτομα του υλικού-στόχου. Γι' αυτό, η άνοδος κατασκευάζεται από υλικά με υψηλό σημείο τήξης, όπως το βολφράμιο, και συχνά είναι περιστρεφόμενη για να διαχέεται η θερμότητα σε μεγαλύτερη επιφάνεια. Ένα μικρό κλάσμα της ενέργειας οδηγεί στην παραγωγή φωτονίων ακτίνων-Χ μέσω δύο διαφορετικών φυσικών μηχανισμών, οι οποίοι θα αναλυθούν παρακάτω.
9. Το «Αποτύπωμα» της Ακτινοβολίας: Το Φάσμα
Όταν παράγουμε ακτίνες-Χ, δεν βγαίνουν όλες με την ίδια ακριβώς ενέργεια. Άλλες είναι πιο «δυνατές» και άλλες πιο «αδύναμες». Για να καταλάβουμε την ακτινοβολία που παράγεται, οι επιστήμονες φτιάχνουν ένα διάγραμμα που το λένε φάσμα. Φαντάσου το σαν ένα γράφημα που στον έναν άξονα έχει τις διαφορετικές ενέργειες (από χαμηλή έως υψηλή) και στον άλλο άξονα δείχνει πόσες ακτίνες-Χ παράγονται για κάθε ενέργεια. Είναι σαν να κάνουμε μια δημοσκόπηση για τα αγαπημένα τραγούδια σε ένα πάρτι και να φτιάχνουμε ένα γράφημα που δείχνει πόσοι προτιμούν το κάθε τραγούδι.
Το ενεργειακό φάσμα των ακτίνων-Χ είναι μια γραφική παράσταση που απεικονίζει τον αριθμό των φωτονίων (ή την ένταση της ακτινοβολίας) ως προς την ενέργεια των φωτονίων. Αυτό το φάσμα είναι κρίσιμο στην ιατρική φυσική, καθώς η «ποιότητα» της δέσμης ακτίνων-Χ (δηλαδή η κατανομή των ενεργειών της) καθορίζει τη διεισδυτικότητά της και την αντίθεση της τελικής εικόνας. Το φάσμα που παράγεται σε μια λυχνία ακτίνων-Χ δεν είναι μονοενεργειακό, αλλά αποτελείται από δύο κύριες συνιστώσες.
10. Δύο Ιστορίες Γέννησης: Συνεχές και Χαρακτηριστικό Φάσμα
Μέσα στον στόχο της ανόδου, τα ηλεκτρόνια που έρχονται με φόρα μπορούν να δημιουργήσουν ακτίνες-Χ με δύο διαφορετικούς τρόπους. Αυτοί οι δύο τρόποι είναι σαν δύο διαφορετικές «ιστορίες γέννησης» για τις ακτίνες-Χ. Η πρώτη ιστορία λέγεται «ακτινοβολία πέδησης» και δημιουργεί ένα συνεχές εύρος από ενέργειες. Η δεύτερη ιστορία λέγεται «χαρακτηριστική ακτινοβολία» και δημιουργεί ακτίνες-Χ με πολύ συγκεκριμένες, διακριτές ενέργειες. Το τελικό φάσμα που βλέπουμε στο γράφημά μας είναι ο συνδυασμός αυτών των δύο ιστοριών.
Το συνολικό φάσμα των ακτίνων-Χ που εκπέμπονται από τη λυχνία είναι το άθροισμα δύο επιμέρους φασμάτων, που προκύπτουν από δύο διακριτούς μηχανισμούς αλληλεπίδρασης των προσπιπτόντων ηλεκτρονίων με τα άτομα του υλικού της ανόδου: Το Συνεχές Φάσμα (Continuous Spectrum), που οφείλεται στην Ακτινοβολία Πέδησης (Bremsstrahlung). Το Γραμμικό ή Χαρακτηριστικό Φάσμα (Characteristic Spectrum), που οφείλεται στην αποδιέγερση των ατόμων του στόχου.
Οι Δύο Ιστορίες της Δημιουργίας των Ακτίνων-Χ
Μια οπτική εξερεύνηση της Ακτινοβολίας Πέδησης και της Χαρακτηριστικής Ακτινοβολίας
11. Η πρώτη ιστορία: Ακτινοβολία Πέδησης (Bremsstrahlung)
Φαντάσου ένα ηλεκτρόνιο να τρέχει με μεγάλη ταχύτητα μέσα στο υλικό του στόχου. Καθώς περνάει κοντά από τον πυρήνα ενός ατόμου, ο οποίος είναι θετικά φορτισμένος, το ηλεκτρόνιο (που είναι αρνητικό) έλκεται από αυτόν. Αυτή η έλξη το αναγκάζει να αλλάξει πορεία και να «φρενάρει», να χάσει δηλαδή ταχύτητα. Η ενέργεια που χάνει το ηλεκτρόνιο κατά το φρενάρισμα δεν εξαφανίζεται, αλλά μετατρέπεται και εκπέμπεται ως ακτίνα-Χ. Αυτή είναι η ακτινοβολία πέδησης.
Ο όρος Bremsstrahlung προέρχεται από τα γερμανικά και σημαίνει κυριολεκτικά «ακτινοβολία φρεναρίσματος». Είναι ο κυρίαρχος μηχανισμός παραγωγής ακτίνων-Χ στις διαγνωστικές ενέργειες. Η αλληλεπίδραση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του πυρήνα του ατόμου-στόχου με το προσπίπτον ηλεκτρόνιο προκαλεί την επιβράδυνση και την εκτροπή της πορείας του τελευταίου. Η απώλεια της κινητικής ενέργειας του ηλεκτρονίου εκπέμπεται υπό τη μορφή ενός φωτονίου ακτίνας-Χ.
12. Η δεύτερη ιστορία: Η Χαρακτηριστική Ακτινοβολία
Η δεύτερη ιστορία είναι πιο δραματική. Ένα ηλεκτρόνιο που έρχεται με πολλή δύναμη μπορεί να συγκρουστεί απευθείας με ένα από τα ηλεκτρόνια του ατόμου-στόχου και να το πετάξει έξω από τη θέση του, σαν μια μπάλα μπόουλινγκ που χτυπάει μια κορίνα. Αυτό αφήνει μια «τρύπα», μια κενή θέση. Αμέσως, ένα άλλο ηλεκτρόνιο από μια πιο εξωτερική στιβάδα του ατόμου «πέφτει» για να καλύψει αυτή την τρύπα. Καθώς πέφτει από μια θέση υψηλής ενέργειας σε μια θέση χαμηλότερης, η διαφορά ενέργειας απελευθερώνεται ως μια ακτίνα-Χ με πολύ συγκεκριμένη ενέργεια.
Αυτός ο μηχανισμός περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση του προσπίπτοντος ηλεκτρονίου με τα δέσμια ηλεκτρόνια του ατόμου του στόχου. Εάν το προσπίπτον ηλεκτρόνιο έχει αρκετή ενέργεια, μπορεί να ιονίσει το άτομο, απομακρύνοντας ένα ηλεκτρόνιο από μια εσωτερική στιβάδα (π.χ., τη στιβάδα Κ). Η κενή θέση που δημιουργείται είναι ενεργειακά ασταθής και καλύπτεται σχεδόν αμέσως από ένα ηλεκτρόνιο μιας εξωτερικής στιβάδας (π.χ., L ή M). Αυτή η ηλεκτρονιακή μετάπτωση συνοδεύεται από την εκπομπή ενός φωτονίου χαρακτηριστικής ακτινοβολίας-Χ.
13. Τι Σημαίνει «Ακτινοβολία Πέδησης»;
Η λέξη "Bremsstrahlung" μπορεί να ακούγεται περίπλοκη, αλλά η ιδέα είναι απλή. "Bremse" στα γερμανικά σημαίνει «φρένο» και "Strahlung" σημαίνει «ακτινοβολία». Άρα, είναι απλά η «ακτινοβολία του φρεναρίσματος». Κάθε φορά που ένα φορτισμένο σωματίδιο, όπως το ηλεκτρόνιο, επιβραδύνεται απότομα, εκπέμπει ενέργεια. Είναι ένας θεμελιώδης νόμος της φύσης. Στην περίπτωσή μας, το «φρένο» είναι η ελκτική δύναμη από τον θετικό πυρήνα του ατόμου-στόχου.
Η παραγωγή ακτινοβολίας Bremsstrahlung είναι μια άμεση συνέπεια της κλασικής ηλεκτροδυναμικής, η οποία προβλέπει ότι κάθε φορτίο που επιταχύνεται (ή επιβραδύνεται, που είναι αρνητική επιτάχυνση) ακτινοβολεί ενέργεια. Η ένταση και η κατεύθυνση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας εξαρτώνται από το μέγεθος της επιβράδυνσης και την ενέργεια του σωματιδίου. Στις ενέργειες που χρησιμοποιούνται στην ιατρική απεικόνιση, αυτή η ακτινοβολία αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της παραγόμενης δέσμης.
14. Το Ηλεκτρόνιο «Φρενάρει»
Ας το δούμε πιο αναλυτικά. Το ηλεκτρόνιο, αρνητικά φορτισμένο, πλησιάζει τον πυρήνα, που είναι θετικά φορτισμένος. Η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ τους (δύναμη Coulomb) το αναγκάζει να καμφθεί η πορεία του και να χάσει ενέργεια. Το πόσο κοντά θα περάσει το ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα καθορίζει το πόσο δυνατό θα είναι το «φρενάρισμα». Ένα πέρασμα ξυστά από τον πυρήνα προκαλεί ένα πολύ απότομο φρενάρισμα, ενώ ένα πέρασμα από πιο μακριά προκαλεί ένα πιο ήπιο φρενάρισμα.
Η αλληλεπίδραση αυτή είναι στατιστικής φύσης. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να υποστεί πολλαπλές τέτοιες αλληλεπιδράσεις καθώς διασχίζει το υλικό της ανόδου. Η πιθανότητα μιας ισχυρής αλληλεπίδρασης (μικρή παράμετρος κρούσης) είναι πολύ μικρότερη από την πιθανότητα μιας ασθενούς αλληλεπίδρασης (μεγάλη παράμετρος κρούσης). Αυτό εξηγεί γιατί στο φάσμα παράγονται πολύ περισσότερα φωτόνια χαμηλής ενέργειας από ό,τι υψηλής.
15. Η Χαμένη Ενέργεια Γίνεται Ακτίνα-Χ
Η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί από το μηδέν, ούτε να καταστραφεί. Απλά αλλάζει μορφή. Στην περίπτωση της ακτινοβολίας πέδησης, η κινητική ενέργεια που χάνει το ηλεκτρόνιο καθώς φρενάρει, μετατρέπεται απευθείας σε ένα «πακέτο» ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, δηλαδή σε ένα φωτόνιο ακτίνας-Χ. Αν το φρενάρισμα είναι δυνατό, το ηλεκτρόνιο χάνει πολλή ενέργεια και το φωτόνιο που παράγεται είναι υψηλής ενέργειας. Αν το φρενάρισμα είναι ελαφρύ, το φωτόνιο είναι χαμηλής ενέργειας.
Η ενέργεια του εκπεμπόμενου φωτονίου, E_ph, είναι ίση με τη διαφορά της κινητικής ενέργειας του ηλεκτρονίου πριν (K_i) και μετά (K_f) την αλληλεπίδραση: E_ph = K_i - K_f. Στην πιο ακραία περίπτωση, το ηλεκτρόνιο μπορεί να χάσει όλη την κινητική του ενέργεια σε μία μόνο σύγκρουση, ακινητοποιούμενο πλήρως. Σε αυτή την περίπτωση, το παραγόμενο φωτόνιο έχει τη μέγιστη δυνατή ενέργεια, η οποία είναι ίση με την αρχική κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου (E_max = K_i = eV).
16. Γιατί το Φάσμα είναι «Συνεχές»;
Επειδή το ηλεκτρόνιο μπορεί να περάσει από οποιαδήποτε απόσταση από τον πυρήνα, μπορεί να χάσει οποιοδήποτε ποσοστό της ενέργειάς του, από σχεδόν μηδέν μέχρι το 100%. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να παραχθούν φωτόνια ακτίνων-Χ με κάθε πιθανή ενέργεια, από μηδέν μέχρι μια μέγιστη τιμή. Γι' αυτό, όταν σχεδιάζουμε το γράφημα, η ακτινοβολία πέδησης δεν εμφανίζεται ως μεμονωμένες γραμμές, αλλά ως μια συνεχής, καμπυλωτή γραμμή που μοιάζει με λόφο. Γι' αυτό το ονομάζουμε συνεχές φάσμα.
Η μέγιστη ενέργεια στο συνεχές φάσμα, γνωστή ως ενέργεια αποκοπής (cutoff energy), καθορίζεται αποκλειστικά από την επιταχύνουσα τάση της λυχνίας (kVp). Κανένα φωτόνιο Bremsstrahlung δεν μπορεί να έχει ενέργεια μεγαλύτερη από τη μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων που το παρήγαγαν. Το σχήμα της κατανομής του συνεχούς φάσματος (η μορφή του «λόφου») επηρεάζεται από την τάση (kVp), το ρεύμα (mA) της λυχνίας, το υλικό του στόχου και τη διήθηση της δέσμης.
17. Το Άτομο-Στόχος: Ένα Μικροσκοπικό Ηλιακό Σύστημα
Για να καταλάβουμε τη χαρακτηριστική ακτινοβολία, πρέπει να φανταστούμε το άτομο του υλικού-στόχου (π.χ. βολφράμιο) σαν ένα μικροσκοπικό ηλιακό σύστημα. Στο κέντρο είναι ο πυρήνας (ο «ήλιος») και γύρω του περιφέρονται τα ηλεκτρόνια (οι «πλανήτες») σε συγκεκριμένες τροχιές ή στιβάδες. Κάθε στιβάδα έχει ένα συγκεκριμένο επίπεδο ενέργειας. Οι εσωτερικές στιβάδες (πιο κοντά στον πυρήνα) έχουν χαμηλότερη ενέργεια, ενώ οι εξωτερικές έχουν υψηλότερη. Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να βρίσκονται οπουδήποτε, παρά μόνο πάνω σε αυτές τις συγκεκριμένες ενεργειακές στιβάδες.
Σύμφωνα με το ατομικό πρότυπο του Bohr, τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο καταλαμβάνουν κβαντισμένες ενεργειακές στάθμες ή στιβάδες, που συμβολίζονται με τα γράμματα K, L, M, N, κ.ο.κ., αρχίζοντας από την εσωτερικότερη. Κάθε στιβάδα αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη ενέργεια σύνδεσης (binding energy), η οποία είναι η ενέργεια που απαιτείται για να απομακρυνθεί ένα ηλεκτρόνιο από τη συγκεκριμένη στιβάδα και να βγει εκτός του ατόμου. Η ενέργεια σύνδεσης είναι μεγαλύτερη για τις εσωτερικές στιβάδες.
18. Η Σύγκρουση «Νοκ-άουτ»
Τώρα, φαντάσου το γρήγορο ηλεκτρόνιο που έρχεται από την κάθοδο. Αν αυτό το ηλεκτρόνιο έχει αρκετή ενέργεια και τύχει να πετύχει ακριβώς ένα από τα ηλεκτρόνια μιας εσωτερικής στιβάδας (π.χ. της στιβάδας Κ), μπορεί να το βγάλει νοκ-άουτ, να το εκτινάξει τελείως έξω από το άτομο. Για να συμβεί αυτό, η ενέργεια του εισερχόμενου ηλεκτρονίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια με την οποία το «νοκ-άουτ» ηλεκτρόνιο είναι δεμένο στο άτομο.
Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ιονισμός με κρούση. Το προσπίπτον ηλεκτρόνιο πρέπει να έχει κινητική ενέργεια τουλάχιστον ίση με την ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου-στόχου. Για το βολφράμιο, η ενέργεια σύνδεσης της στιβάδας Κ είναι περίπου 69.5 keV. Επομένως, για να παραχθεί χαρακτηριστική ακτινοβολία-Χ από τη στιβάδα Κ του βολφραμίου, η επιταχύνουσα τάση της λυχνίας πρέπει να είναι τουλάχιστον 69.5kV.
19. Γεμίζοντας το Κενό: Η «Πτώση» του Ηλεκτρονίου
Μόλις δημιουργηθεί μια κενή θέση σε μια εσωτερική στιβάδα, το άτομο βρίσκεται σε μια ασταθή, «διεγερμένη» κατάσταση. Η φύση δεν αγαπά τα κενά, οπότε σχεδόν αμέσως, ένα ηλεκτρόνιο από μια πιο εξωτερική, υψηλότερης ενέργειας στιβάδα (π.χ. από τη στιβάδα L ή M) «πέφτει» για να καλύψει το κενό. Φαντάσου ένα βιβλίο που πέφτει από ένα ψηλό ράφι σε ένα πιο χαμηλό. Καθώς πέφτει, απελευθερώνει ενέργεια (π.χ. τον ήχο της πτώσης).
Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αποδιέγερση του ατόμου. Η μετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από μια εξωτερική στιβάδα (π.χ. L) σε μια εσωτερική κενή θέση (π.χ. Κ) είναι ενεργειακά ευνοϊκή. Η διαφορά ενέργειας μεταξύ της αρχικής και της τελικής στάθμης του ηλεκτρονίου απελευθερώνεται. Αυτή η ενέργεια μπορεί να απελευθερωθεί είτε με την εκπομπή ενός φωτονίου χαρακτηριστικής ακτινοβολίας-Χ, είτε με την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου Auger (μια ανταγωνιστική διαδικασία).
20. Γιατί το Φάσμα είναι «Χαρακτηριστικό»;
Η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν το ηλεκτρόνιο «πέφτει» από τη μια στιβάδα στην άλλη είναι απολύτως συγκεκριμένη. Είναι ακριβώς ίση με τη διαφορά ενέργειας ανάμεσα στις δύο στιβάδες. Επειδή η δομή των ενεργειακών στιβάδων είναι μοναδική για κάθε χημικό στοιχείο, σαν ένα δακτυλικό αποτύπωμα, η ενέργεια της ακτίνας-Χ που παράγεται είναι επίσης μοναδική και χαρακτηριστική του υλικού του στόχου. Στο γράφημα του φάσματος, αυτές οι ακτίνες εμφανίζονται ως απότομες, στενές κορυφές (σαν καρφιά) πάνω στο συνεχές φάσμα, σε συγκεκριμένες πάντα θέσεις ενέργειας.
Η ενέργεια του εκπεμπόμενου χαρακτηριστικού φωτονίου είναι ίση με τη διαφορά των ενεργειών σύνδεσης των δύο στιβάδων μεταξύ των οποίων γίνεται η μετάπτωση (π.χ., E_Kα = E_L - E_K). Επειδή αυτές οι ενέργειες είναι σταθερές και συγκεκριμένες για κάθε στοιχείο, το αποτέλεσμα είναι ένα γραμμικό φάσμα με διακριτές ενεργειακές κορυφές. Αυτές οι κορυφές ονομάζονται Kα, Kβ, κ.λπ., ανάλογα με το αν η κενή θέση στη στιβάδα Κ καλύφθηκε από ηλεκτρόνιο της στιβάδας L, M, κ.ο.κ.
