รังสีเอกซ์

       รังสีเอกซ์

                ค้นพบครั้งแรกในปี พ.ศ. 2438 โดยเรินต์เกน นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันที่พบรังสีนี้โดยบังเอิญขณะศึกษากระแสผ่านแก๊ส (gaseous discharge) ในหลอดรังสีแคโทด โดยขณะที่เขาใช้กระดาษดำคลุมหลอดรังสีแคโทด เพื่อศึกษาความทึบแสงของแผ่นกระดาษในห้องทดลองที่มืดสนิท เขาสังเกตว่าแร่แบเรียมแพลทิโนไซยาไนต์ ที่วางอยู่ห่างจากหลอดรังสีแคโทดประมาณหนึ่งเมตรมีแสงเรืองเกิดขึ้น ซึ่งขณะนั้นนักวิทยาศาสตร์ทราบว่าแร่นี้จะเรืองแสงได้เมื่อรับรังสีอัลตราไวโอเลตเท่านั้น แต่ขณะทดลองไม่มีแหล่งกำเนิดรังสีอัลตราไวโอเลต และรังสีแคโทดก็ไม่สามารถเดินทางจากหลอดสุญญากาศไปยังก้อนแร่ได้เพราะรังสีแคโทดทะลุผ่านอากาศได้ไกลเพียง 2 - 3 เซนติเมตร เท่านั้น เรินต์เกนจึงสรุปว่า สิ่งที่ทำให้ก้อนแร่ดังกล่าวเรืองแสงจะต้องเป็นรังสีบางอย่างที่ซึ่งไม่มีผู้ใดรู้จักมาก่อน และรังสีนี้ต้องมาจากหลอดรังสีแคโทด และมีอำนาจทะลุผ่านสูงจนสามารถผ่านกระดาษดำไปยังก้อนแร่ได้เรินต์เกน เรียกรังสีนี้ว่า 19.9 รังสีเอกซ์

รูป 19.33 เรินต์เกน

 

                Roentgen (พ.ศ. 2388 - 2466) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันเป็นผู้พบรังสีเอกซ์โดยบังเอิญ ในปี พ.ศ. 2438 ขณะศึกษารังสีแคโทด เขาได้ศึกษาและสรุปสมบัติต่างๆ ของรังสีนี้เรินต์เกนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เป็นคนแรกในปี พ.ศ. 2444

                การศึกษาต่อมาพบว่า รังสีเอกซ์สามารถทะลุผ่านวัตถุที่ไม่หนาจนเกินไป และมีความหนาแน่นน้อยได้ เช่น กระดาษ ไม้ เนื้อเยื่อของคนและสัตว์ แต่ถ้าวัตถุมีความหนาแน่นมากๆ เช่น แพลทินัม ตะกั่ว กระดูก อำนาจทะลุผ่านก็จะลดลง รังสีเอกซ์เมื่อผ่านไปในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะไม่มีการเบี่ยงเบนใดๆ แสดงว่ารังสีเอกซ์ อาจเป็นคลื่นหรืออนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ในขณะนั้นทราบว่า ไม่มีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าใดมีอำนาจทะลุผ่านเท่ารังสีเอกซ์ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงคิดว่ารังสีเอกซ์น่าจะเป็นคลื่นมากกว่า

ในการผลิตรังสีเอกซ์ปกติใช้ลำอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงพุ่งชนเป้าที่ทำด้วยอะตอมโลหะหนักที่เป็นเป้า ดังรูป 19.34

ขั้วไฟฟ้า A จะถูกทำให้ร้อนด้วยกระแสไฟฟ้าจากความต่างศักย์     อิเล็กตรอนซึ่งหลุดจากขั้วไฟฟ้า A จะถูกเร่งด้วยความต่างศักย์       เข้าชนเป้าโลหะ B ทำให้เกิดรังสีเอกซ์

 

รูป 19.34 หลอดรังสีเอกซ์

 

      การเกิดรังสีเอกซ์มีสองกระบวนการคือ

              ก.การเกิดรังสีเอกซ์ต่อเนื่อง

              เกิดจากอิเล็กตรอนซึ่งวิ่งผ่านใกล้นิวเคลียสเปลี่ยนความเร็วอย่างรวดเร็ว (เปลี่ยนทั้งขนาดและทิศทาง) คือถูกเร่งและ

ประจุที่ถูกเร่งจะปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นรังสีเอกซ์ออกมา ดังรูป 19.35 การเกิดรังสีเอกซ์ เนื่องจากความเร่งมีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์จากกระบวนการนี้จึงมีค่าต่อเนื่องและรังสีเอกซ์มีพลังงานมากที่สุดเท่ากับ พลังงานจลน์เริ่มต้นของอิเล็กตรอน

รูป 19.35 การเกิดรังสีเอกซ์4

 

                ซึ่งค่าพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอน ได้มาจากการเร่งด้วยความต่างศักย์ V_o

จนให้รังสีเอกซ์ความยาวคลื่นต่ำสุดเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานคือ  V_o จนให้รังสีเอกซ์ความยาวคลื่นต่ำสุดเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานคือ \frac{1}{2}mv^2  = eV_o
                         = hf_{\max }  = \frac{{hc}}{{\lambda _{\min } }}
            ดังนั้น  \lambda _{\min }  = \frac{{hc}}{{eV_o }}   (19.25)
                         เมื่อ c คือ อัตราเร็วของแสง
                          \lambda _{\min } คือ ความยาวคลื่นต่ำสุดของรังสีเอกซ์
              
ความสัมพันธ์ตามสมการ 19.25 แสดงว่า รังสีเอกซ์นอกจากจะมีความยาวคลื่นหลายค่าซึ่งขึ้นกับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนแล้วยังมีความยาวคลื่นต่ำสุดและคำนวณได้จากสมการ 19.25 ด้วย

รูป 19.36 กราฟแสดงพลังงานของรังสีเอกซ์ต่อเนื่อง

 

 ตัวอย่าง 19.4 หลอดรังสีเอกซ์ ที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วทั้งสอง 1.24x10^4  โวลต์ จะผลิตรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นต่ำสุดเท่าใด
       วิธีทำ                  จาก \lambda _{\min }  = \frac{{hc}}{{eV_o }}
                                         แทนค่า h, c, e,  จะได้
                                         \lambda _{\min }  = \frac{{6.63x10^{ - 34} Jsx3x10^8 m/s}}{{1.6x10^{ - 19} Cx1.24x10^4 V}}
                                          = 10x10^{ - 10} m = 0.1nm
ซึ่งสอดคล้องกับการทดลองคือเมื่อใช้ความต่างศักย์ขนาดดังกล่าว จะไม่พบรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าที่คำนวณได้จากสมการ 19.26

 

ข. การเกิดรังสีเอกซ์ที่ให้สเปกตรัมเส้น

ในกระบวนการนี้อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งจนมีพลังงานสูง จะเข้าไปในอะตอมและชนกับอิเล็กตรอนวงโคจรชั้นในของอะตอมที่เป็นเป้า จนอิเล็กตรอนนั้นหลุดออกไป อิเล็กตรอนในวงโคจรชั้นถัดออกมาซึ่งมีระดับพลังงานสูงกว่าวงโคจรชั้นในจะเข้าไปแทนที่พร้อมกับปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินที่มีความยาวคลื่นเฉพาะค่าออกาในรูปรังสีเอกซ์ ทำนองเดียวกับการเกิดสเปกตรัมเส้นของอนุกรมบัลเมอร์หรืออนุกรมไลมานของอะตอมไฮโดรเจน รังสีเอกซ์ที่เกิดขึ้นจะแตกต่างกันไปตามชนิดของโลหะที่ใช้ทำเป้า เรียกกระบวนการเกิดรังสีเอกซ์วิธีนี้ว่า การเรืองรังสีเอกซ์ และเรียกรังสีเอกซ์นี้ว่า รังสีเอกซ์เฉพาะตัว รังสีเอกซ์เฉพาะตัวที่เกิดขึ้นจะมีพลังงานเท่ากับผลต่างระหว่างระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรคือ

                          E = E_{ni}  - E_{nf}
                      หรือ             hf = E_{ni}  - E_{nf}
                      เมื่อ                      E                          =   พลังงานของรังสีเอกซ์เฉพาะตัว
                                                  E_{ni} =   พลังงานของอิเล็กตรอนในวงโคจรเดิม
                                                   E_{nf} =   พลังงานของอิเล็กตรอนในวงโคจรใหม่
           มีการนำรังสีเอกซ์ไปใช้ประโยชน์ต่างๆ อย่างกว้างขวาง เช่น แพทย์ ใช้ในการตรวจวินิจฉัยโรคที่เกิดในอวัยวะภายในร่างกาย การเอกซเรย์กระดูก ส่วนต่างๆ ของร่างกายของคนที่ได้รับอุบัติเหตุ อุตสาหกรรม ใช้เอกซเรย์ตรวจสอบข้อบกพร่องหรือรอยร้าวของโครงสร้างต่างๆ ตำรวจใช้ตรวจหาอาวุธปืน วัตถุระเบิดที่ซุกซ่อนในหีบห่อหรือกระเป๋าเดินทางตามด่านต่างๆ โดยไม่ต้องเปิดหีบห่อหรือกระเป๋า

 

การตรวจวินิจฉัยโรค

รูป 19.37 ภาพการนำรังสีเอกซ์ไปใช้ประโยชน์

 

                นักวิทยาศาสตร์ใช้รังสีเอกซ์ศึกษาโครงสร้างผลึกของสารต่างๆ พบว่าอะตอมของผลึกมีการจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ ด้วยเหตุนี้เวลาต้องการศึกษาจึงใช้คลื่นที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก โดยระยะห่างระหว่างอะตอมที่ประกอบกันเป็นผลึกสามารถทำหน้าที่แทนเกรตติงได้ แบร็กก์ได้ทดลองฉายรังสีเอกซ์เข้าไปในผลึกของสารต่างๆ ปรากฏว่าเกิดการแทรกสอดบนฟิลม์ ดังรูป 19.38

 

รูป 19.38 การแทรกสอดของรังสีเอกซ์บนฟิล์ม

 

เนื่องจากรังสีเอกซ์สามารถทำลายเซลล์ในร่างกายมนุษย์ได้ ดังนั้นการใช้รังสีเอกซ์จึงควรทำโดยเจ้าหน้าที่ที่ได้รับการฝึกฝนมาแล้วเท่านั้น อนึ่งเวลาอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงชนโลหะหรือวัสดุต่างๆ ก็จะเกิดรังสีเอกซ์เสมอ และถ้าเป็นกรณีโลหะหนัก รังสีเอกซ์จะเกิดได้มากขึ้น อิเล็กตรอนในหลอดภาพโทรทัศน์หรือของภาพคอมพิวเตอร์ซึ่งถูกเร่งด้วยความต่างศักย์สูงกว่าหมื่นโวลต์ ก็สามารถทำให้เกิดรังสีเอกซ์ได้เช่นกัน (แต่ความเข้มของรังสีไม่มากนัก ดังนั้นจึงไม่ควรนั่งดูใกล้จอภาพ หรือทำงานหน้าจอกับคอมพิวเตอร์ติดต่อกันเป็นเวลานาน) สำหรับหลอดผลิตความต่างศักย์สูงของเครื่องรับโทรทัศน์หรือจอคอมพิวเตอร์ ซึ่งเป็นส่วนที่ให้กำเนิดรังสีเอกซ์นั้นปกติมีกล่องโลหะหุ้มป้องกันรังสีอย่างมิดชิดไว้แล้ว

                 แม้จะมีการพบรังสีเอกซ์ก่อนพลังค์จะตั้งสมมติฐานและโบร์จะเสนอทฤษฎีอะตอม แต่ก็ไม่มีใครในขณะนั้นสามารถอธิบายที่มาของรังสีเอกซ์ได้โดยใช้ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอยู่ จนกระทั่งพลังค์ได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับควอนตัมของพลังงาน และโบร์ได้เสนอทฤษฎีอะตอม จึงสามารถอธิบายที่มาของรังสีเอกซ์ได้อย่างถูกต้อง กล่าวคือ การเกิดรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นเฉพาะค่าซึ่งเป็นการยืนยันความถูกต้องของความคิดของโบร์ที่ว่าอะตอมมีระดับพลังงานเป็นชั้นๆ