ما لا تعرفه عن الأشعة السينية

مفهوم الأشعة السينية:

تمثل الأشعة السينية شكلاً من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي المؤين، حيث يتم إنتاجها بواسطة أنبوب الأشعة، باستخدام جهد عالي لتسريع الإلكترونات الناتجة عن الكاثود، حيث تتفاعل الإلكترونات الناتجة مع القطب الموجب، مما ينتج عنه أشعة سينية، كما تشمل الأشعة السينية الناتجة والإشعاع المميز لعنصر الأنود.

كيف يمكن أن تتفاعل الأشعة السينية مع المادة؟

• التأثير الكهرومغناطيسي.
  
• تأثير كونبتون.
  
• نثر رايلي أو التشتت الكلاسيكي.
  
• انتاج الزوج (غير ممكن في نطاق الأشعة التشخيصية).
  
• التأين.
  

مفهوم التأثير الكهروضوئي:

التأثير الكهروضوئي أو الامتصاص الكهروضوئي هو أحد الأشكال الرئيسية لتفاعل فوتونات الأشعة السينية وجاما مع المادة، حيث يتفاعل الفوتون مع غلاف داخل إلكترون في الذرة ويزيلها من غلافها.

احتمالية التأثير الكهروضوئي:

• طاقة الفوتون الساقط تساوي أو تزيد عن طاقه الارتباط للإلكترون في الغلاف (الامتصاص).
  
• الإلكترون المرتبط بإحكام.
  

ثم يسمى الإلكترون الذي يتم إزالته بالإلكترون الضوئي، ويتم امتصاص الفوتون الساقط بالكامل في هذه العملية، وبالتالي يساهم التأثير الكهروضوئي في إضعاف شعاع الأشعة السينية أثناء مروره عبر المادة.

ولتثبيت الذرة يملأ الإلكترون الغلاف الخارجي الفارغ في الغلاف الداخلي، حيث تنبعث الطاقة التي يفقدها هذا الإلكترون عندما يسقط إلى الغلاف الداخلي كإشعاع مميز (فوتون أشعة إكس) أو كإلكترون أوجيه، كما يرتبط الامتصاص الكهروضوئي بالعدد الذري للوسط المخفف (Z)، وطاقة الفوتون الساقط (E) والكثافة الفيزيائية للوسط المخفف (p) بواسطة: Z³ p / E³.

لذلك إذا تضاعف Z، سيزداد الامتصاص الكهروضوئي بمعامل 8 (2³ = 8)، وإذا تضاعف الامتصاص الكهروضوئي سينخفض ​​بعامل 8، حيث إن التغييرات الصغيرة في Z و E يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الامتصاص الكهروضوئي، وهذا له آثار عملية في مجال الحماية من الإشعاع، وهو السبب في أن المواد ذات Z عالية مثل الرصاص (Z = 82) هي مواد حماية مفيدة.

ويستخدم الامتصاص الكهروضوئي أيضًا في التصوير الشعاعي للثدي، وعند استخدام عوامل التباين لتحسين تباين الصورة، فإن اعتماد الامتصاص الكهروضوئي على Z و E يعني أنه المساهم الرئيسي في توهين الحزمة حتى حوالي 30 كيلو فولت، وعندما يتم تشعيع الأنسجة البشرية (Z = 7.4). عند طاقات الشعاع فوق هذا فإنه سيسود تأثير كومبتون.

مفهوم تأثير كومبتون:

تأثير كومبتون أو تشتت كومبتون هو أحد الأشكال الأساسية لتفاعل الفوتون، حيث إنه السبب الرئيسي للإشعاع المتناثر في المادة، والذي يحدث بسبب تفاعل الفوتون (الأشعة السينية أو جاما) مع الإلكترونات الحرة (غير المرتبطة بالذرات) أو إلكترونات غلاف التكافؤ غير المحكم (الغلاف الخارجي)، كما يتم تشتيت الفوتون الناتج عن الحادث (يغير اتجاهه) ويضفي طاقة إلى الإلكترون (إلكترون الارتداد).

سيكون للفوتون المبعثر طول موجة مختلف (ظاهرة ملحوظة)، وبالتالي طاقة مختلفة (E = hc / λ)، كما سيتم الحفاظ على الطاقة والزخم في هذه العملية.
إن تأثير كومبتون هو عملية امتصاص جزئية وفقد الفوتون الأصلي الطاقة، والمعروفة باسم تحول كومبتون (أي تحول في الطول الموجي / التردد)، حيث يمكن تحديد تغير الطول الموجي للفوتون المتناثر بواسطة 0.024 (1- cos θ)، حيث θ هي زاوية الفوتون المتناثرة، وبالتالي تتناقص طاقة الفوتون المتناثر مع زيادة زاوية الفوتون المتناثرة.

احتماليه تأثير كومبتون:

• يتناسب طرديا مع كل من عدد إلكترونات المدار الخارجي؛ أي كثافة الإلكترون والكثافة الفيزيائية للمادة.
  
• يتناسب عكسا مع طاقة الفوتون.
  
• لا تعتمد على العدد الذري (على عكس تأثير الكهروضوئي وإنتاج الزوج).
  

كما يعتمد احتمال تأثير كومبتون على عدد الإلكترونات لكل غرام في المادة الماصة، والتي بالنسبة لمعظم العناصر هي نفسها تقريبًا (تقريبًا 3 × 1023)، إلا أن الاستثناء هو عنصر الهيدروجين، والذي لا يحتوي على نيوترونات في نواته، وبالتالي له كثافة إلكترون تبلغ ضعف كثافة جميع العناصر الأخرى (تقريبًا 6 × 1023)، وبالتالي فإن تأثير كومبتون مستقل عن العدد الذري (Z) من الممتص.

تكمن أهمية تأثير كومبتون في أنه يصبح العملية السائدة عندما يتم تعريض الأنسجة البشرية للإشعاع، وذلك في نطاق طاقة 30 كيلو فولت إلى 30 ميغا فولت، وهو نطاق الإشعاع التشخيصي والعلاجي.

مفهوم التشتت المتماسك:

الانتثار المتماسك (المعروف أيضًا باسم الانتثار غير المعدل أو الكلاسيكي أو المرن)، هو أحد الأشكال الثلاثة لتفاعل الفوتون الذي يحدث عندما تكون طاقة الأشعة السينية أو فوتونات جاما الصغيرة بالنسبة إلى طاقة تأين الذرة، لذلك فهو يحدث مع إشعاع منخفض الطاقة.
عند التفاعل مع الوسيط المخفف، لا يمتلك الفوتون طاقة كافية لتحرير الإلكترون من حالته المقيدة؛ (أي أن طاقة الفوتون أقل بكثير من طاقة الارتباط للإلكترون)، لذلك لا يحدث نقل للطاقة، كما أنه لا يوجد ترسب للطاقة، وبالتالي لا توجد جرعة ناتجة عن تشتت متماسك.

التغيير الوحيد هو تغيير اتجاه (تبعثر) الفوتون، وبالتالي فهو تبعثر “غير معدل”، التشتت المتماسك ليس عملية تفاعل رئيسية يتم مواجهتها في التصوير الشعاعي في الطاقات المستخدمة عادة، حيث يختلف الانتثار المتماسك باختلاف العدد الذري للممتص (Z) وطاقة الفوتون الساقط (E) بواسطة Z / E2.

الإنتاج الزوجي:

ينتج عن إنتاج الزوج (PP) مثل التأثير الكهروضوئي، التوهين الكامل للفوتون الحادث، حيث يمكن أن يحدث إنتاج الزوج فقط إذا كانت طاقة الفوتون الحادث (1.022 MeV) على الأقل، وعندما يتفاعل الفوتون مع المجال الكهربائي القوي حول النواة، فإنه يخضع لتغير في الحالة ويتحول إلى جسيمين.
يشكل هذان الجسيمان الزوج المشار إليه باسم العملية، فمن الجدير بالذكر أنه يمكن إنشاء “أزواج” أخرى من اللبتونات (والتي يعد الإلكترون نوعًا منها) مثل أزواج الميون، أنتيمون وتاو، أنتيتاو ، ولكن نوع زوج الليبتون سيحدد طاقة الفوتون الساقط اللازمة لتكوينه، وكلاهما لهما كتل طاقة أعلى بكثير (1776 MeV لـ tau و 105 MeV للميون) من الإلكترون والبوزيترون.
السبب في أن 1.022 ميجا إلكترون فولت من طاقة الفوتون على الأقل ضروري؛ لأن كتلة الراحة (باستخدام E = MC²) للإلكترون والبوزيترون معبرًا عنها بوحدات الطاقة هي 0.511 ميجا فولت (أو 9.1 × 10-31 كجم) لكل منهما، لذلك ما لم يكن هناك (0.511 MeV * 2)، وعلى الأقل (أي 1.022 MeV) لا يمكن إنشاء زوج الإلكترون والبوزيترون، وإذا كانت طاقة الفوتون الساقط أكبر من 1.022 ميغا إلكترون فولت، فستتم مشاركة الفائض (وإن لم يكن دائمًا بالتساوي) بين الإلكترون والبوزيترون كطاقة حركية.
بمجرد تحرير الإلكترون والبوزيترون داخل الوسط يتبددان من خلال تفاعلات متتالية داخل الوسط، حيث يمتص الإلكترون بسرعة، لكن مصير البوزيترون ليس مستقيماً، وعندما يتعلق الأمر بالراحة، فإنه يتحد مع إلكترون مجاور والجسيمان يحيدان بعضهما البعض في ظاهرة تعرف باسم إشعاع الفناء.
وهنا يتم تحويل الجسيمين مرة أخرى إلى فوتونين من الإشعاع الكهرومغناطيسي، كل منهما 0.511 ميغا إلكترون فولت تنتقل بزاوية 180 درجة لبعضهما البعض (مفهوم مستخدم في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني PET)، ثم تُمتص هذه الفوتونات أو تتناثر داخل الوسط.

لا يصبح إنتاج الأزواج في الواقع العملية السائدة في الماء الذي يقل عن 30 ميجا فولت؛ وذلك نظرًا لاعتماده على ‘Z’ للممتص، وبالتالي فهو أقل أهمية في العدد الذري المنخفض لعناصر الأنسجة الرخوة في التصوير الشعاعي الصناعي، حيث يتم تشعيع عناصر العدد الذري المرتفع، كما يمكن أن تصبح عملية إنتاج الزوج كعملية التوهين الرئيسية بافتراض أن طاقة الإشعاع الساقط تتجاوز (1.022 MeV).