Jak działa RTG?
Promieniowanie X cz.2

Przenikliwe spojrzenie medycyny – krótka historia o promieniowaniu X

W poprzednim artykule mogliście przeczytać o historii odkrycia promieniowania X (jeśli jeszcze tego nie zrobiliście to koniecznie przeczytajcie 🙂 ) jego wykorzystaniu w dzisiejszych czasach. Tutaj natomiast zajmiemy się fizyczną stroną obrazowania przy pomocy tego właśnie promieniowania X.

Już teraz obejrzyj do końca wideo do artykułu:

Jak działa RTG? Promieniowanie X cz. 2

Promieniowanie X w RTG

Na samym początku należy powiedzieć o tym czym jest promieniowanie X. Najprościej rzecz ujmując jest to pewien konkretny zakres promieniowania elektromagnetycznego. Ale teraz pewnie zadajecie sobie pytanie „co to jest promieniowanie elektromagnetyczne?” oraz „o zakresie której wielkości fizycznej tutaj mowa?”.

Już spieszę z wyjaśnieniem!

Przede wszystkim, promieniowanie elektromagnetyczne to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Jak to można rozumieć? Poprzez prostą analogię – wyobraźmy sobie, że jesteśmy przy brzegu spokojnego jeziora. Teraz gdy wrzucimy kamień do wody, zauważymy że od miejsca gdzie kamień uderzył w wodę dookoła rozchodzą się fale – można inaczej powiedzieć, że kamień zaburzył powierzchnię spokojnej tafli wody.

Fale powstające na lustrze wody

Widzimy zatem, że fala to w gruncie rzeczy zaburzenie, które rozchodzi się w jakimś ośrodku: fala wody na powierzchni jeziora, fala dźwiękowa w powietrzu, lub właśnie fala elektromagnetyczna w polu elektromagnetycznym.

Natura pola elektromagnetycznego zahacza o dość trudny – lecz niewątpliwie ciekawy – dział fizyki zwany fizyką kwantową i nie będziemy tu tłumaczyć dokładnie skąd się bierze to pole, najważniejszą informacją jest to, że pole elektromagnetyczne jest wszędzie w całym znanym nam wszechświecie. Wyjaśniliśmy już czym jest promieniowanie elektromagnetyczne, a więcej o polu elektromagnetycznym będziecie mogli przeczytać w naszym następnym artykule.

Zakres promieniowania elektromagnetycznego i działanie RTG

Teraz o jakim konkretnie parametrze mówimy, mając na myśli pewien zakres promieniowania. Aby to wyjaśnić znów odniesiemy się do analogii z jeziorem – wyobraźmy sobie teraz, że wrzucamy do wody pojedynczo drobne kamyki, po jednym co sekundę. Zauważymy, że powstające fale będą rozchodzić się zachowując między sobą stały odstęp. Ten odstęp między szczytami fali nazywany jest długością fali. I to właśnie długość fali jest charakterystyczną wielkością promieniowania X i wcześniej wspomniany zakres to długości fali elektromagnetycznej od 10 pikometrów, czyli 10^-12 metra do 10 nanometrów, czyli 10^-9.

Dla wyobrażenia grubość włosa to 100 000 000 razy więcej niż dolna granica długości tego promieniowania. Warto tu dodać, że my codziennie też przecież operujemy pewnym zakresem promieniowania elektromagnetycznego – mowa to u świetle widzialnym za pomocą którego nasze oczy są w stanie rejestrować obraz otaczającej nas rzeczywistości.

Możecie sobie teraz zadawać pytanie, dlaczego ten parametr jest tak ważny. Mianowicie jeśli spojrzymy na prosty wzór który określa nam zależność między długością, a częstotliwością fali przy danej prędkości fali:

gdzie „λ” (czytamy jako Lambda) to długość fali, „v” to prędkość fali, a „f” to jej częstotliwość.

Zauważymy, że długość i częstotliwość fali są odwrotnie proporcjonalne. To znaczy, że gdy jedno rośnie, drugie maleje. A my już wiemy, że długość fali promieniowania X jest bardzo mała, możemy więc łatwo wywnioskować, że jego częstotliwość zatem musi być bardzo wysoka. I mowa tu o częstotliwościach rzędu od 30 petaherców do 30 eksaherców. To oznacza, że pojedyncze „drgnienie” każdej fali promieniowania X ma miejsce od 30×10¹⁵ do 30×10¹⁸ razy na sekundę.

Wyobraźmy sobie zatem – znów wracając do analogii z jeziorem – że na każdą sekundę musimy wrzucić 30 000 000 000 000 000 kamyków do wody aby wygenerować fale o takiej częstotliwości – niewyobrażalnie dużo! I jak nietrudno się domyślić taka fala musi nieść ze sobą dużą ilość energii. I dochodzimy do ostatecznego i najważniejszego wniosku wynikającego z charakterystyki tego promieniowania – że promieniowanie o dużej energii będzie łatwiej przenikało przez otaczającą nas materię niż promieniowanie o niższej częstotliwości. I tu dochodzimy do sedna, czyli przenikalności promieniowania X.

           RTG niczym teatrzyk kukiełek!

Skoro chcemy prześwietlić ludzki organizm, to potrzebujemy promieniowania, które przez ten organizm przeniknie i nie ulegnie odbiciu ani absorpcji. I zanim wyjaśnimy sobie już ostatecznie jak powstają obrazy RTG, musimy dodać jeszcze jedną informację. Mianowicie to, że przenikalność promieniowania X jest różna dla różnych tkanek ludzkiego organizmu. Tkanki miękkie – takie jak skóra i mięśnie są znacznie łatwiej przenikane przez promieniowanie X niż kości. Ta różnica bierze się głownie z tego, że kości zawierają w sobie dużo zmineralizowanych materiałów w postaci głównie fosforanu wapnia, które są znacznie słabiej przepuszczalne dla promieniowania X niż tkanki miękkie oparte głównie o związki węglowe. Znów aby lepiej to sobie uzmysłowić uciekniemy do analogii, ma to bowiem miejsce podczas na przykład teatru cieni. Padające światło widzialne odbija się od nieprzepuszczalnych dla światła widzialnego elementów scenerii, które rzucają cień na biały ekran umieszczony za nimi i ten cień tworzy właśnie oglądany przez nas obraz. Dokładnie tak samo jest podczas robienia zdjęć RTG. Gdy oświetlimy dłoń promieniowaniem rentgenowskim, ono przeniknie przez tkanki miękkie i padnie na umieszczoną za dłonią kliszę. Jedyne co stoi na drodze to kości, które rzucą na kliszę swój cień. I teraz rodzi się pytanie, dlaczego mowa o cieniu, skoro widać, że kości na zdjęciu RTG są jaśniejsze niż tło. Chodzi tu o czysto techniczne parametry kliszy – czyli mianowicie o to, że na początku jest ona jasna (mniej więcej taka jak w miejscu gdzie widać cień kości na zdjęciu), a ciemnieje ona dopiero pod wpływem promieniowania X. Dlatego właśnie zdjęcia RTG wydają się być niejako negatywem bo tu padające promieniowanie powoduje pociemnienie kliszy, a nie naświetlenie jak to ma miejsce na przykład analogowych aparatach fotograficznych. W taki sposób działa RTG 🙂

Jeśli zaciekawił was ten materiał, zapraszamy na nasz kanał na Youtube, znajdują się tam filmiki w których omawiam więcej ciekawostek na temat promieniowania rentgenowskiego oraz zachęcam Cię do śledzenia naszego bloga aby sięgnąć po więcej ciekawych artykułów!

Autor: Kacper Gołębiewski, ELEMENTUM