X Işınları (Röntgen Işınları)

X ışınları

RÖNTGEN İŞİNLARİ olarak da bilinir, yüklü parçacıklann hız yitirmeleri ya da atomlardaki elektronlann bir enerji düzeyinden daha düşük enerjili bir düzeye geçmesi sonucunda salınan çok kısa dalga- boylu elektromagnetik ışınım. X ışınlannın dalgaboylan yaklaşık 0,05 angström ile birkaç yüz angström arasındadır (1 angström = 108 cm). Öteki elektromagnetik dalga türleri (gamma ışınları, morötesi ışınım, görünür ışık, kızılötesi ışınım ve radyo dalgalan) gibi, X ışınlannın da boşluktaki hızı saniyede 3xl010 cm’ye eşittir; dalga hereketlerine özgü girişim, kınnım ve kutuplanma gibi olgular X ışınlarında da gözlenir.
X ışınlan 8 Kasım 1895 günü Almanya’nın Würzburg kentinde Wilhelm Conrad Röntgen tarafından keşfedildi. Röntgen bu buluşunu katot ışınlannın etkileri üzerindeki araştırmalan sırasında gerçekleştirmişti (katot ışınlan, içinde düşük basınçh bir gaz bulunan elektrik boşalmalı lambada negatif elektrottan [katot] salınan elektronlardan oluşur). Katot ışınlannın özellikleri daha önce de birçok bilim adamı tarafından incelenmişti, ama bu araştırmacılann gözden kaçırmış olduğu bir etkiyi ilk kez gözlemleyen Röntgen oldu. Boşalmah lamba yakınında bulunan baryum platinosiyanür kaplı bir yüzey, flüorışıma yoluyla ışık salıyordu; bu olgu, boşalmalı lambadan yayılan görünür ışık ve morötesi ışınımın, araya bir engel yerleştirilerek flüorışıl yüzeye ulaşması engellense bile ortaya çıkıyordu. Röntgen, boşalmalı lambada gözle görülemeyen bir ışınım oluştuğu ve flüorışıma olayına bu ışınımın yol açtığı sonucuna vararak bu yeni ve niteliği bilinmeyen ışınıma X ışınları adını verdi.

X ışınlarının etkileri. Bir maddeden X ışınları geçtiğinde, maddenin kendisi de ikincil X ışınları ve elektronlar salar. İkincil X ışınları oluşmasından dolayı birincil ışınların bir bölümü soğurulur. İkincil ışınımlar birincil ışınıma oranla daha zayıftır, aynca ikincil ışınımın bir bölümü de soğurulmaya uğrar.

Bir maddeye X ışınlan düştüğünde iki tür ikincil X ışını oluşur. Bunlardan birincisi saçılmış X ışınları olarak adlandırılır, bunların enerjisi birincil ışmlann enerjisine yakındır; birincil ışınlara oranla daha zayıf olan ikinci tür ikincil ışınlar ise flüonşımayla oluşan ışınlardır. Saçılmış X ışınlan, maddeden geçişleri sırasında doğrultulan (ve bir ölçüde enerjileri) değişime uğrayan birincil ışınlardan oluşur. Birincil ışmlann dalgaboyu flüonşıma oluşturmaya yetecek kadar kısa ise flüonşıl X ışınları da ortaya çıkar; bunlann dalgaboylan, içinde oluştuklan maddeye özgü bir değerdedir ve birincil X ışınlannın dalgaboyundan bağımsızdır.
Saçılmış X ışınlannın oluşması, X ışmların parçacık niteliği göz önünde tutularak kolaylıkla açıklanabilir. Foton olarak adlandmlan X ışını parçacıkları bir elektronun yakınından geçerken doğrultu değiştirerek saçılıma uğrarlar; bu saçılım sırasında X ışınlan enerjisinin bir bölümü elektrona geçebilir.

Üzerine X ışını düşürülen maddedeki atomlann bir bölümü elektron salarak iyonlaşmış (elektron kaybetmiş) duruma geçerler. Bu atomlar normal enerji durumlarına geri dönerken flüonşıl X ışınları biçiminde enerji salarlar. Flüonşıl X ışınlan, K ve L türü belirtken (karakteristik) X ışınları olarak adlandmlan iki türe aynlır. Her elementin saldığı belirtken X ışınlan belirli bir enerjiye sahiptir; bu enerji, elementin atom numarası yükseldikçe büyür. K türü X ışınları, atoma en sıkı biçimde bağlı elektronlann fırlaması sonucunda oluşur; bunlar en yüksek enerjili belirtken X ışınlandır. Üzerine X ışınlan düşürülen bir madde, ikincil X ışınlarının yanı sıra ikincil elektronlar da salar. Bu elektronlar iki çeşittir: Geritepkime elektronları ve fotoelektronlar. Geritepkime elektronlarının birincil X ışınlanndan enerji sağlama mekanizması, X ışınlan saçılımımn parçacık kuramıyla açıklanabilir; fotoelektronlar ise ışığın fotoelektrik etkisinde söz konusu olan süreçle ortaya çıkar.

Xıişınlan gazlar tarafından soğurulduğunda gazın atomlarından fotoelektronlar fırlar. Bu elektronlar gaz moleküllerinin iyonlaşmasına yol açar; böylece birincil X ışmlan- nın etkisi katlanarak büyür. Bu süreç canlı dokuda gerçekleşirse, karmaşık organik moleküllerden fırlayan fotoelektronlar dokudaki hücrelerin harap olmasına yol açar. X ışınlarının ikili niteliği. X ışınlanyla gerçekleştirilen ilk deneyler, bu ışmlann dalga nitelikli olduğunun kabulünü gerektirmişti. Ama başka deneyler X ışınlannın parçacıklardan oluştuğu sonucunu verdi. Bu ikili nitelik yalnızca X ışınlarına özgü değildir, bütün enerji ve madde biçimlerinin genel bir özelliğidir. X ışınlan (ve elektromagnetik ışınım türlerinin tümü) hem parçacık hem de dalga niteliği gösterirler; bir başka deyişle, bu ışınlar kuvanta ya da foton olarak adlandmlan elektromagnetik dalga paketlerinden oluşur.

X ışınlarının dalga niteliği. Klasik elektro-magnetizma kuramı uyannca elektronların hız yitirmesi (yavaşlaması) sonucunda elektromagnetik ışınım ortaya çıkar; bu olgu, bir verici antende, elektronlann hızlanması sonucu olarak radyo dalgalan oluşmasına benzer. X ışınlarının magnetik alanda sapmaya uğramadığının belirlenmesi, bu ışınların dalga nitelikli olduğu görüşünü desteklemiştir. X ışınlarının kırınım ve girişime uğradığının gösterilmesi dalga niteliğinin kesin olarak ortaya konması anlamına gelecekti; kutuplanma olgusunun gözlenmesi ise bu ışınların enine dalga olduğunu ortaya koyacaktı. X ışınlarının bulunduğu yıllarda bu olguların ışık için geçerli olduğu bilinmekteydi. Röntgen’in o yıllarda gerçekleştirdiği deneyler ise X ışınlarının bu niteliklerini ortaya çıkarmaktan uzak kalmıştı.

İngiliz fizikçi Charles Grover Barkla, karbonun belirli bir doğrultuda saçılıma uğrattığı X ışınlannın kutuplanmış duruma geldiğini gösterdi. Böylece bu ışmlann enine elektromagnetik dalgalar olduğunu kanıtlama yolunda önemli bir aşama kaydedilmiş oldu. Xışınlannın çok ince bir yarıktan geçirilerek kırınıma uğratılmasım amaçlayan deneyler bu ışınların dalgaboyunun 1 angström dolaylarında olabileceğini gösteriyordu. 1912’de Alman fizikçi Max von Laue, X ışınlannın dalgaboyunu ölçmek amacıyla bir yöntem geliştirdi. Kristallerde atomlann, aralarında yaklaşık 1 angströmlük uzaklık olmak üzere düzenli bir biçimde dizilmiş olduklarını göz önüne alan Laue, bir kristaldeki bu atomlann X ışınlan için kınnım ağı işlevi görebileceği sonucuna vardı. Laue ve çalışma arkadaşları, bir çinko sülfür kristaline ince bir Xışım demeti düşürerek, kristalin arkasına yerleştirilmiş bir fotoğraf filminde ortada koyu bir benek ile bunun çevresinde bakışımlı bir biçimde dizilmiş beneklerden oluşan bir kınnım deseni elde etmeyi başardılar. Ortadaki benek, kristalden, doğrultusu değişmeksizin geçen Xışınlarına, öteki benekler ise kristaldeki atomlann kırınıma uğrattığı X ışınlan- na karşılık geliyordu. Bu deneylerleXışınlarının yaklaşık 1 angström dalgaboylu dalgalar olduğu ve kristallerde atomların örgü olarak adlandmlan düzgün yapılar biçiminde dizilmiş olduğu belirlenmiş oldu.

Laue’nin bu deneylerinden kısa bir süre sonra İngiliz fizikçi William Lawrence Bragg, kristallerdeki atom düzlemlerinin X ışınlarını en yoğun biçimde yansıtmasını sağlayan geliş açıları, bu düzlemleri birbirinden ayıran uzaklık ve gelen X ışınının dalgaboyu arasındaki ilişkiyi belirleyen yasayı ortaya koydu. Bragg yasası olarak adlandırılan bu yasadan yararlanarak X ışınlarının dalgaboyunu kesin bir biçimde belirleyebilen Bragg, X ışınlannın biri çizgili, biri de sürekli olmak üzere iki tür tayf oluşturduğunu saptadı. Çizgili tayftaki çizgiler, X ışınının üretildiği lambadaki anotun yapıldığı maddeye özgü olan belirtken dalga- boylanna karşılık geliyordu; bu dalgaboylan ise, yaklaşık olarak, söz konusu maddenin atom ağırlığının karesi ile ters orantılıydı.

ABD’li fizikçi Arthur Holly Compton, 1923’te X ışınlarını parlatılmış cam yüzeyinden yansıtmayı başardı. X ışınlannın dalga niteliğine ilişkin son kanıt, bu ışmlann sık, eşit aralıklı paralel çizgilerden oluşan bir kırınım ağı aracılığıyla kınnıma uğratılmasıyla elde edildi (1925). Çizgiler arasındaki uzaklık kesin olarak bilindiği için, bu yöntemle X ışınlannın dalgaboyunun mutlak olarak belirlenmesi olanaklı oldu.

X ışınlarının parçacık niteliği.

X ışınlarının parçacık niteliği fotoelektrik etki ve Compton etkisiyle ortaya konmuştur. Einstein, fotoelektrik etkiyi Max Planck’ın 1900’de ortaya koyduğu enerji kuvantumu kavramından yararlanarak 1905’te açıklamayı başarmıştı. Fotoelektrik etkide elektromag- netik enerji soğuran bir maddenin elektron salması söz konusudur. Einstein’m, ışınımın enerji kuvantumuna eşdeğer kesikli (ayrık) parçacıkların (foton) hareketi olarak ele alınabileceği görüşünden yola çıkarak ulaştığı fotoelektrik etki denklemi, salman elektronun, soğurulan ışınımın enerjisi (bu enerji ışınımın frekansı ile Planck sabitinin çarpımına eşittir) ile elektronu maddenin dışına çekip çıkarmak için gerekli enerjinin (iş fonksiyonu) farkına eşit bir kinetik enerjiye sahip olarak maddeden dışarı çıkaracağını belirliyordu. Bu denklem başlangıçta görünür ışık için ortaya konmuştu, ama geçerliliği sonradan X ışınlan için de kanıtlandı.

Compton’m 1922-23’te gerçekleştirdiği deneyler X ışınlannın parçacık niteliğini belirleyen ikinci bulguyu ortaya çıkardı. Compton bu deneylerde bir X ışınlı spektrometre- den yararlanarak hafif elementlerce saçılı- ma uğratılan X ışınlannın dalgaboylannı ölçtü ve saçılan X ışınlan arasında birincil ışınlarla aynı dalgaboydaki ışınların yanı sıra, dalgaboyları değişime uğrayan ve daha uzun bir dalgaboyunda yoğunlaşan ışınlann da yer aldığını gözlemledi. Bu ışınlann şiddeti ve dalgaboylan saçılım açısına bağlı olarak değişiyordu. Günümüzde Compton olayı olarak bilinen bu olayın açıklaması Compton ve ondan bağımsız olarak HollandalI fiziksel kimyacı Peter Debye tarafından ortaya kondu. Bu açıklamada birincil X ışmlanndaki fotonlar küçük bir küre olarak düşünülüyordu; bir foton, ışınlann düşürüldüğü maddedeki bir elektronla (kütleleri farkh düzgün ve esnek iki topun çarpışmasına benzer biçimde) çarpışıyordu. Enerjisinin bir bölümünü geri tepen elektrona veren fotonun enerjisi azalıyor, bir başka deyişle dalgaboyu büyüyordu. Foton ile elektron arasındaki bu çarpışmada enerjinin ve momentumun (kütle ile hızın çarpımı) korunduğu varsayımından yola çıkan Compton ve Debye, saçılan Xışmlanndaki dalgaboyu kaymasını hesaplamayı başardılar.

X ışınlarının sezilmesi ve ölçümü. BirX ışını demetinin iki özelliği vardır: Işınlann şiddeti ve ışınım enerjisinin dalgaboylanna göre dağılımı (tayf dağılımı). Bu özellikleri ölçmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. X ışınlannın sezilmesi için yaygın olarak kullanılan iki yöntem vardır. Birinci yöntemde X ışınlannın fotoğraf filminde oluşturduğu fotokimyasal değişmeden yararlanılır. Filmde ortaya çıkan kararma, X ışınlanrıın şiddeti ile filmi etkilediği sürenin çarpımına bağlıdır; bu kararmanın film üzerindeki yeri ve koyuluğu optik yöntemlerle belirlenir.

X ışınlannın sezilmesinde kullanılan ikinci yöntemde bu ışınlann gazları ve katılan iyonlaştırma ya da kristallerde flüonşıma oluşturma özelliklerinden yararlanılır. Bu yöntemlerin kullanıldığı ve genellikle elektronik detektör olarak adlandırılan aygıtlar arasında en yaygın biçimde kullanılanlar iyonlaşma odası, kırpışım sayacı ve yaniletken ışınım detektörüdür. Bu aygıtlar soğurulan her foton için bir gerilim darbesi üretirler; bu darbeler sayılarak foton sayısı belirlenebilir. Detektörlerin tümünden gelen gerilim darbeleri, darbe yüksekliği çözümleyicisi olarak adlandırılan ve darbeleri sayarak enerji düzeylerine göre ayıran bir aygıta verildiğinde ışınımın tayf dağılımı elde edilir.

Yukarıda anılan sayıcı türleri X ışınlı kırınım spektrometrelerinde de kullanılır. X ışınlı spektrometrede bir X ışınlan kaynağı, bu ışınlan kınnıma uğratan bir madde ve bir detektör sistemi bulunur. Böyle bir spektro-metre, dalgaboyu bilinen X ışınlanndan yararlanılarak kristal yapısının incelenmesi amacıyla kullanılabileceği gibi, yapısı bilinen bir kristalden yararlanılarak X ışını tayfının incelenmesi amacıyla da kullanılabilir.

X ışınlarının uygulamaları. X ışınlarının tıpta, sanayide ve bilimsel araştırmalarda pek çok uygulama alanı vardır. Bunlar arasında soğurma ölçümleri, kristallerin kırınım yoluyla incelenmesi, flüonşıma aracılığıyla belirtken ışınımlann saptanması ve X ışınlarının biyolojik etkilerinin belirlenmesi sayılabilir.
X ışınlanndan ilk olarak tıpta yararlanılmıştır. Tıpta X ışınlan tanı ya da tedavi amacıyla kullanılır. Tanı amacıyla kemik kınklannın, vücutta yabancı maddelerin, diş çürüklerinin, kanser ve benzeri hastalıklı durumların belirlenmesinde yararlanılan X ışınlan, tedavi amacıyla da özellikle kötü huylu (habis) urların yayılmasının engellenmesinde kullanılır.

Sanayide dökme parçalann içindeki çatlak ve benzeri kusurlann hasarsız belirlenmesinde ve malzeme kalmhklannm ölçülmesinde yaygın olarak kullanılan X ışınlanndan, kalınlığı bilinen malzemelerin kanşım oranlannı belirlemekte de yararlanılır.

Flüonşıma yoluyla X ışınları ortaya çıkması olgusundan malzemelerin nicel ve nitel çözümlemesinde yararlanılır. Bu yöntemde birincil demet olarak X ışınlan, gamma ışınlan, elektronlar ya da başka yüklü parçacıklar kullanılabilir; flüonşıma yoluyla oluşan X ışınlannın enerjisi, örneği oluşturan maddelere özgü (bir başka deyişle belirtken) olduğundan bu maddelerin neler olduğu saptanabilir. Uygun standartlardan yararlanılarak nicel belirlemeler de gerçekleştirilebilir. Bu yöntemden elektron mikro-sondası (ya da elektron sondalı mikroçö- zümleyici) olarak adlandmlan aygıtta da yararlanılır; bu aygıtta, örneğin bileşimi incelenecek bölgesine çok ince (çapı yaklaşık 0,0001 cm) bir elektron demeti gönderilir. X ışınlarından tarayıcı elektron mikroskopunda da yararlanılır.

Elektromanyetik Dalgalar / X Işınları!

Dalga boyları yaklaşık (10)-9 m ile (10)-13 m aralığındadır. Metal bir hedefe çarpan yüksek enerjili elektronların aniden yavaşlatılması yani ivmeli hareket yapması sonucu oluşur. Röntgen ışınları olarak da anılan ilgili ışınlar, tıpta tanı ve kanser tedavisinde kullanılır. Söz konusu ışınlar canlı dokulara zarar vereceğinden mümkün olduğunca bu ışınlardan uzak durmak gerekir.