X-ışınları temel olarak görünür ışık ışınları ile aynıdırlar. Işığın kendisi bir elektromanyetik dalgadır ve fizikte, elektromanyetik dalgalar dalgaboylarına, aslında sahip oldukları enerjilerine göre farklı türlere ayrılırlar. X-ışınları da bir tür elektromanyetik dalga olarak ışıktır ama bizim gözle göremeyeceğimiz türdedir.
X-ışınları ile görünür ışık arasındaki fark fotonların enerji seviyelerinden ileri gelir. Elektromanyetik dalgalarda enerji seviyelerindeki farklılığı dalgaboyu üzerinden belirtiriz. Bir elektromanyetik dalganın dalgaboyu dalganın iki tepe noktası arasındaki uzaklıktır. Dalgaboyu dalganın frekansı ile ters orantılıdır, dalgaboyu uzadıkça yani iki tepe noktası arasındaki uzaklık arttıkça frekans azalmaktadır.
Bir elektromanyetik dalganın frekansı ise o dalganın enerjisini verir (E=hf). Frekans ile Planck sabitinin çarpımına göre hesaplanan enerji frekans arttıkça artar. Dolayısıyla uzun dalgaboylu elektromanyetik dalgaların enerjisi düşük iken, daha kısa dalgaboylu elektromanyetik dalgaların enerjisi daha yüksektir.
Gözümüz görünür ışığın belirli dalgaboylarına duyarlı olduğu için yüksek enerjili X-ışınları, düşük enerjili mikrodalga ya da radyo dalgaları gibi elektromanyetik dalgaların diğer türlerini göremeyiz.
Görünür ışığın fotonları da, X-ışınlarının fotonları da atomlardaki elektronların hareketi ile üretilirler. Ancak, elektronlar bir atomun çekirdeği etrafındaki farklı enerji seviyelerini veya orbitallerini işgal ederler. Bir elektron -bir şekilde- daha düşük enerjili bir seviyeye geçiş yaptığında, bir miktar enerji yaymak zorundadır. Bu yayılan enerji ise foton formundadır. İşte foton olarak yayılan enerjinin seviyesi elektronun hangi atomik enerji seviyeleri arasında geçiş yaptığına bağlıdır. Yani bir atomun en dış yörüngesinden geçiş yapan ile en iç yörüngesinden geçiş yapan elektronun yayacağı fotonun enerjisi tamamen farklıdır. Dolayısıyla o elektromanyetik dalganın dalgaboyu da frekansı da farklıdır. Bu farklılıklar elektromanyetik spektrum adı verilen ışığın dalgaboyunun 1 pikomete ile 100 kilometre arasında değiştiği tüm elektromanyetik ışımayı içeren bir ölçek diyagramını verir.
Peki, bir atom içindeki elektronun enerji seviyeleri arasındaki geçişi nasıl sağlanır?
Bir atom ile bir fotonun çarpışmasına ne dersiniz? Fotonlar belirli bir enerjiye sahiptirler ve bir çarpışma sırasında (Compton Saçılması) enerjilerini aktarabilirler. Böyle bir durumda, atom fotonun enerjisini soğurabilir ve soğurulan enerjiyle bir elektron daha yüksek enerjili seviyeye geçiş yapabilir. Ancak, bir elektron aldığı enerji ile atom içinde kafasına göre hareket edemez. Fotondan gelen enerji yeterli değilse, akbili yetersiz bakiye veren bir yolcu gibi durakta yani mevcut enerji seviyesinde beklemek zorundadır. Yani, fotonun enerji seviyesi iki atomik enerji seviyesi arasındaki enerji farkı kadar olmak zorundadır. Yoksa foton elektronların enerji seviyeleri arasındaki geçişini sağlayamaz.
Eğer yeterli bir enerjiye sahip foton bir atoma gönderilmişse, bu fotondan aldığı enerjiyle bir elektron daha yüksek enerjili bir seviyeye geçiş yapar. Ancak, her yolcu gibi evine dönmek isteyeceğinden, bir süre sonra elektron kendi orjinal enerji seviyesine geri döner ve geri dönerken de bir foton formunda enerji salar. Bu salınan enerjinin büyüklüğüne göre yayılan fotonun dalgaboyu dolayısıyla elektromanyetik dalga türü kendini belli eder.
Mesela, radyo dalgaları uzun zamandır gündelik hayatımızda kullanılmaktadır. Bunun sebebi yukarıdaki açıklamada yatıyor. Oldukça düşük enerjili olan bu radyo dalgalarının enerjisi, çoğu büyük atomdaki enerji seviyeleri arasındaki enerji farkından daha düşüktür. Dolayısıyla bu atomlardaki elektronları yerinden kıpırdatacak kadar güçlü değildir. Vücudumuzu oluşturan atomlara her radyo dalgası çarptığında, vücudumuzdaki atomlar “yetersiz bakiye” uyarısı veriyor diyebiliriz. Ancak, X-ışınları için bunu söyleyemeyiz. Çünkü X-ışınları fotonları çok fazla enerjiye sahiptirler, ve evet, radyo dalgaları gibi vücudumuzdan gelip geçerler ama bu geçişleri hiç de sessiz olmaz.
Öyle ki, bir atoma X-ışını fotonu çarptığında fotonun enerjisinin bir kısmı bir elektronu atomdan koparabilir ve kalanı da o elektronu uzağa uçurabilir. Elbette atomun büyüklüğünün de bir önemi var. Daha büyük bir atom bu şekilde bir X-ışını fotonunun enerjisini soğurabilir. Çünkü bu tür atomlarda atomik enerji seviyeleri arasındaki fark daha büyük olabilir.
Vücudumuzdaki yumuşak dokular daha küçük atomlardan oluştuğu için X-ışını fotonlarını soğurmazlar. Kemiklerimizi oluşturan kalsiyum atomları daha büyük olduğu için X-ışınlarının soğurulmasında daha iyidirler. Bu ise hastanelerdeki röntgen cihazlarının çalışma prensibini biraz olsun açıklar.
X-ışınları ve elektromanyetik spektrumdaki diğer elektromanyetik dalgalar.
Kaynak: http://www.artic.edu/collections/conservation/revealing-picasso-conservation-project/examination-techniques
Atomlardaki elektron geçişlerine bağlı olarak yayılan elektromanyetik dalganın dalgaboyu 3 nanometre ile 0,03 nanometre arasında ise bu fotonlardan oluşan elektromanyetik dalga X-ışınları olarak adlandırılır. Ancak, bunun sınırları keskin değildir. Kısa dalga boyu ucunu gama ışınlarına, uzun dalgaboyu ucu da morötesi ışıkla karıştırmak mümkündür. Sahip oldukları dalgaboyu sayesinde X-ışınları çok sayıda uygulama alanına sahiptir. En önemli ve bilinen kullanım alanı tıptadır. Vücudumuzun iskelet yapısının görüntülenmesinin yanı sıra çeşitli hastalıkların tanısında ve bazı kanserlerin tedavisinde X-ışınları kullanılmaktadır. X-ışınları sadece vücudumuzun içini görmüyor, aynı zamanda malzemelerin iç yapısını anlamak için kristalografide kullanılmaktadır. Astronomideki kullanımının yanı sıra endüstride X-ışını tarayıcıları ağır metal ekipmanlardaki dakika kusurlarını tespit etmede sıklıkla kullanılmaktadır. Havalanlarında ve alışveriş merkezlerinde güvenliğin sağlanması için kullanıldığı hâlihazırda bilinmektedir.
X-Işınlarının Tarihi
1895 yılında X-ışınları Alman fizikçi Wilhelm Conrad Röntgen tarafından bir gaz deşarj tüpünde elektron demetleri ile deney yaptığı sırada keşfedilmişti. Röntgen yüksek voltajlı bir katod ışını tüpü yakınındaki kristallerin -tüpün siyah bir kartonla kaplı olmasına rağmen- bir floresan parlama sergilediğini fark etti. Enerjinin bir kısmı tüpte üretilmekteydi ve katod tüpü etrafındaki kartondan sızarak kristallerin parlamasına neden oluyordu. Röntgen o zaman bu bilinmeyen enerjiyi “X-ışıması” olarak adlandırmıştı. Yapılan deneyler gösterdi ki bu ışıma yumuşak dokulara nüfuz edebilir ama kemik tarafından soğurulabilir. Böylece fotografik plakalar üzerinde gölge görüntüler oluşturmak mümkün olabilirdi.
Bu keşiften dolayı Röntgen 1901 yılındaki ilk Nobel Fizik Ödülü’nü almaya hak kazanmıştı.
X-Işını Kaynakları
Yazının girişinde bir foton ile atomun çarpıştırılmasıyla yapılan ışımadan söz etmiştik. X-ışınlarının oluşmasında, hareketli bir elektronun enerjisinden yararlanılır. Bu hareketli elektronun enerjisinin tümü veya bir kısmı fotona dönüşerek X-ışınları elde edilir. Bunun en bilinen yolu, bir metal hedefin üzerine elektronların göderilmesiyle X-ışınları üretilmesidir. Isınan bir filamandan koparılan elektronlar yüksek bir voltajın (bir elektrik alanı) yardımıyla metal hedefe doğru hızlandırılırlar. Yeterince yüksek kinetik enerjiye sahip elektronlar hedefi vurduğunda, metal hedefteki atomların en iç yörüngesi yani en düşük enerji seviyesindeki (n=1) bir elektronu yerinden eder. Bir üst veya daha yukarıdaki enerji seviyesinden bir elektron hızlı bir şekilde bu enerji seviyesine geçer ve bu sırada foton olarak enerji salar. Bu yüksek enerjili foton bir X-ışını fotonun kendisidir. Bu tür üretilen X-ışını fotonlarına karakteristik X-ışınları adı verilir.
Herhangi bir çarpışma olmadan da foton üretmek mümkün. Yüksek hızlı (yüksek enerjili) serbest elektronlar bir atomun çekirdeği civarında hareket ederken, elektron yavaşlar ve atomu geçtikçe yön değiştirir. Bu “frenleme” hareketi elektronun bir X-ışını fotonu kadar yüksek enerji yaymasına neden olur. Bu frenleme ışıması olarak bilinir.
X-ışınları ayrıca bir sinkrotron tarafından da üretilebilir. Sinkrotronlar dairesel bir yol üzerinde manyetik alan kullanarak parçacıkları yüksek hızlara ulaştırmaya yarayan hızlandırıcılardır. Bu hızlandırıcılarda, yüksek hızlı elektronlar bir manyetik alan sayesinde dairesel bir yolda hareket etmeye zorlandıklarında, açısal ivmelenme parçacıkların foton yaymasına yol açar. Eğer yeterli enerji ile bu yapılırsa, elektronlar X-ışınları yayabilir. Sinkrotron yoluyla ışıma elde edilmesinin ilgi çekici bir yanı yayılan ışığın kutuplu (polarize) olmasıdır. Böyle bir ışımada, fotonların elektrik ve manyetik alanları tümüyle aynı yönde salınım yapar.
X-Işınları Zararlı mı?
X-ışınları doktorların bir tanı koymasında, belki de gerekli tedaviyi öngörebilmesinde hastanın vücudu üzerindeki herhangi bir cerrahi müdahelede bulunmadan vücudun içini görmesini sağlamaktadır. Dolayısıyla X-ışınları kırılmış bir kemiğe ameliyat yolu ile bakmaktan daha kolay ve güvenli bir yol sağlıyor.
Ancak, yazının ilk kısımlarında değindiğim gibi X-ışınları çok yüksek enerjilere sahip fotonlar içeriyor ve bu nedenle bizim ve canlılar için zararlı olma riski vardır. X-ışınlarının ilk kullanıldığı dönemlerde doktorlar ve hastalar X-ışınlarına uzun süre maruz kaldıkları için mide bulantısı, saç kaybı, ishal gibi belirtiler gösteren ve merkezi sinir sistemini etkileyen radyasyon hastalığı baş göstermişti. X-ışının bir atoma çarparak elektron sökmesi aslında bir iyon oluşturuyor. Yani elektriksel olarak yüklü bir atom. Serbest kalan elektronlar diğer atomlarla çarpışarak daha fazla iyon oluşumuna da yol açabilir.
Böyle bir yük DNA zincirlerini kırabilir, hücre içinde doğal olmayan kimyasal reaksiyonlara yol açabilir. DNA ipliği bozulmuş bir hücre ya ölecektir ya da DNA bir mutasyon geliştirecektir. Çok sayıda hücrenin ölmesi çeşitli hastalıklarla sonuçlanabilirken DNA’nın mutasyona uğraması kanserin oluşması ve yayılmasına olanak tanıyabilir. Bu risklerden dolayı X-ışınları günümüzde doktorlar tarafından gerektiğinde kullanılıyor.
Yine de, X-ışını ile röntgen çekilmesi ameliyata göre daha güvenli bir seçenek gibi görünüyor, uzun süreli bir şekilde X-ışınlarına maruz kalmadıkça. Günümüzde X-ışınları tıp, güvenlik ve bilimsel araştırmalarda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
Dr. Gökhan Atmaca
Twitter: twitter.com/kuarkatmaca
Instagram: instagram.com/anadoluca
Kuark Bilim Topluluğu Bilim Sitesi Kuark.Org’u Facebook’ta Takip Edebilirsiniz.
Referanslar
Tom Harris, How X-rays Work, HowStuffWorks
Jim Lucas, What Are X-Rays?, Livescience
Meltem Gündüz, Işık ve Elektromanyetik Spektrum, KBT Bilim Sitesi
http://guide.ceit.metu.edu.tr/thinkquest/trays.htm
