Röntgensäteily

Katodisädeputki oli 1890-luvun puolivälissä keksitty laite. Siinä saadaan elektroneja irtoamaan katodimetallista ja kiihtymään sähkökentässä kohti positiivista anodia. Wilhelm Röntgen oli saksalainen fyysikko, joka tutki katodisäteitä. Eräässä kokeessaan hän peitti katodisädeputkensa ja huomasi putken ulkopuolella olevan aineen hehkuvan fluoresenssi-ilmiön takia. Hehkuminen päättyi, kun katodisädeputki kytkettiin pois päältä. Röntgen oli löytänyt tuntemattoman säteilytyypin (X-rays). Suomeksi säteet tunnetaan röntgensäteilynä.

Röntgensäteilyn löytymisellä oli mullistava vaikutus. Jo löytöhetkellä havaittiin röntgensäteiden kyky läpäistä ihmiskehon osia. Röntgensäteilyn käyttö yleistyi hyvin nopeasti niin lääketieteeseen kuin teollisuuteen. Röntgensäteet läpäisevät harvaa ainetta hyvin ja absorboituvat tiheään aineeseen. Röntgensäteilyn läpäisykyky perustuu sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutukseen aineen elektronien kanssa. Mitä tiheämpää ainetta on tai mitä suurempi on aineen järjestysluku, sitä enemmän vuorovaikutukseen osallistuvia elektroneja on olemassa ja sitä enemmän röntgensäteily absorboituu aineeseen. Ihmiskehossa keuhkot ovat harvaa ainetta, jolloin röntgensäteily läpäisee ne hyvin. Säteily läpäisee myös pehmeitä kudoksia. Luu on tiheää, jolloin säteily absorboituu siihen.

Yksi ensimmäisistä röntgenkuvista on otettu Wilhelm Röntgenin vaimon, Anna Bertha Ludwigin, kädestä.

Röntgenlaitteita oli 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla hyvinkin vapaassa käytössä. Esimerkiksi jalkineita ostava henkilö pystyi tarkistamaan röntgenlaitteella, kuinka hyvin jalat sopivat uusiin kenkiin. Myöhemmin on huomattu röntgensäteilyn aiheuttaman ionisaation haitat ja röntgensäteilyn käytöstä on tullut kontrolloitua.

Lääketieteellisen kuvantamisen lisäksi röntgensäteily paljasti uutta tietoa aineen rakenteesta. Koska röntgensäteilyllä on lyhempi aallonpituus kuin näkyvällä valolla, voidaan röntgensäteitä käyttää molekyylitason yksityiskohtien erottamiseen. William Bragg ja hänen poikansa William Lawrence Bragg ohjasivat röntgensäteitä aineeseen. Tapahtui diffraktioilmiö ja muodostuneen diffraktiokuvion perusteella voitiin päätellä, millainen on aineen kiderakenne. Yksi kuuluisimmista röntgendiffraktioon perustuvista löydöistä on DNA:n rakenteen selvittäminen vuonna 1953.

Video: Röntgendiffraktion toimintaperiaate (La Physique Autrement)

Röntgensäteilyllä on nykyisin useita sovelluksia. Terveydenhuollon lisäksi sitä käytetään läpivalaisussa tai säiliöiden pinnan korkeuden mittaamisessa. Röntgensäteilyn avulla tutkitaan Mars-planeettaa ja saadaan selville, mitä materiaaleja planeetalla on. Röntgentähtitiede kartoittaa maailmankaikkeuden suurienergiaisempien kohteiden, kuten supernovien tai mustiin aukkoihin virtaavan aineen lähettämää säteilyä.

Röntgensäteilyn synty

Röntgensäteilyä tuotetaan, kun katodimateriaalia lämmitetään. Lämmitys tapahtuu sähkövirran avulla. Katodilta irtoaa elektroneja, joiden nopeus kasvaa sähkökentässä. Sähkökentän tekemä työ muuttuu elektronien liike-energiaksi.

[[$ \begin{align} \quad W&=E_k \\ \, \\ qU&=E_k \end{align} $]]

Mitä suurempi jännite on, sitä enemmän energiaa elektronit saavat. Jännitteet ovat tyypillisesti kymmeniä kilovoltteja aina sadan kilovoltin suuruusluokkaan saakka. Elektronit liikkuvat tyhjiöputkessa. Ne menettävät tyhjiöputkessa liikkuessaan energiaa mitättömän vähän. Elektronien liike pysähtyy, kun ne törmäävät anodimetalliin. Anodimetallina käytetään molybdeeniä tai volframia.

Video: Röntgenkuvauksen toimintaperiaate (Samun tiedekanava)

Elektronien ja anodimetallien vuorovaikutuksessa syntyy röntgensäteilyä. Nykyisissä röntgenputkissa anodimetalli on pyörimisliikkeessä, koska elektronien ja anodin vuorovaikutuksessa syntyy paljon lämpöä. Pyöriminen estää anodimetallin ylikuumenemisen ja tuhoutumisen. Ohessa on röntgensäteilyn spektri.

Spektri koostuu kahdesta osasta: jatkuvan spektrin osasta sekä anodimetallikohtaisista intensiteettipiikeistä. Röntgensäteilyä syntyy siis kahdella eri tavalla. Kun elektronit osuvat anodimetalliin, metallin atomien ja elektronien välille syntyy sähköinen vuorovaikutus. Elektronien liike hidastuu ja ne menettävät energiaansa. Energian menetys ilmenee syntyvänä säteilykvanttina. Säteilykvantin energian suuruus on tapauskohtainen, ja kvantteja syntyy usealla eri aallonpituudella. Tällä tavoin syntyy jatkuva spektri.

Spektrin aallonpituudella on alaraja. Tällöin elektroni on menettänyt kaiken liike-energiansa. Säteilykvantin energia on yhtä suuri kuin elektronin liike-energia.

[[$ \quad \begin{align} E_k&=E_{\gamma} \\ \, \\ E_k&=\dfrac{hc}{\lambda} \end{align} $]]

Säteilykvantin lyhin aallonpituus kytkeytyy kiihdytysjännitteeseen. Sähkökentän tekemä työ muuttuu ensin elektronin liike-energiaksi, joka muuttuu kokonaisuudessaan säteilykvantin energiaksi.

[[$ \quad \begin{align} W&=E_{\gamma} \\ \, \\ qU&=\dfrac{hc}{\lambda} \end{align} $]]

Metalliin osuva elektroni voi vuorovaikuttaa myös elektroniverhon kanssa ja ionisoida atomin sen sisäkuorelta. Uloimmalta kuorelta siirtyy elektroni paikkaamaan sisäkuorelle syntynyttä aukkoa. Samalla vapautuu energiaa ulko- ja sisäkuoren välisen energiaeron verran. Vapautunut energia ilmenee säteilykvanttina. Koska energia voi olla vain tilojen välisen energiaeron suuruinen, syntyy säteilyä vain tietyillä aallonpituuksilla. Röntgensäteilyn spektrissä tämä havaitaan intensiteettipiikkeinä, joita kutsutaan ominaissäteilyksi.

Röntgensäteilyn spektri muodostuu jatkuvasta osasta ja intensiteettipiikeistä. Ominaissäteilypiikkejä on hieman eri kohdissa spektriä, koska elektroni voi irrota sisimmän elektronikuoren lisäksi myös muilta elektronikuorilta.

Magneettikuvaus

Magneettikuvaus (MK / MRI, Magnetic Resonance Imaging) on yksi tärkeimmistä kuvausmenetelmistä nykylääketieteessä. Magneettikuvaus on terveydelle suotuisampi kuin röntgenkuvaus, koska magneettikuvauksessa ei altistuta ionisoivalla säteilylle. Magneettikuvaus perustuu vety-ydinten eli protonien lähettämiin radioaaltoihin, kun ne palaavat korkeammasta energiatilasta takaisin perustilaansa. Ihmisessä on paljon vettä ja täten myös vetyatomeja. Vety on heikosti magneettinen aine, eikä Maan oma magneettikenttä vaikuta vetyatomien suuntautumiseen. Sen sijaan kelojen avulla tuotetussa voimakkaassa, Maan magneettikenttään nähden 100 000-kertaisessa, magneettikentässä vety-ytimet järjestäytyvät magneettikentän määräämään suuntaan. Kun kehoon tuodaan sopivalla taajuudella radioaaltopulssi, absorboivat vety-ytimet pulssin energiaa ja siirtyvät korkeampaan energiatilaan. Kun pulssi päättyy, palautuvat vety-ytimet alkutilaansa ja lähettävät radioaaltoja. Vety-ytimien lähettämät radioaallot voidaan mitata ja samalla muodostaa kuva tutkittavasta kohteesta. Kudokset erottuvat toistaan niiden erilaisten vety/vesipitoisuuksien perusteella. Magneettikuvaus on tavallisimpia tilanteita, missä ihminen on ydinfysiikkaan liittyvän ilmiön kanssa tekemisissä.

Magneettikuvauslaitteisto.

Magneettikuvan aikaansaamiseksi hyödynnetään monia fysiikan ilmiöitä. Voimakas magneettikenttä syntyy suurien sähkövirtojen avulla. Tavallisesti sähköjohtimilla on resistanssia, joka rajoittaa sähkövirran suurenemista. Suurien sähkövirtojen tuottamiseksi tarvitaan suprajohtavaa ainetta, jossa resistanssi ei rajoita sähkövirtaa. Aine muuttuu suprajohteeksi riittävän alhaisessa lämpötilassa. Johtimet viilennetään nestemäisellä heliumilla neljän kelvinin lämpötilaan. Magneettikuvauksen kohde pitää eristää ympäristöstä tulevilta radiotaajuisilta signaaleilta, jotta protonien lähettämät heikot radioaallot voidaan mitata ja muodostaa kohteesta kuva. Eristäminen tehdään rakentamalla Faradayn häkki eli metallikehikko magneettikuvaushuoneen ympärille. Faradayn häkki estää muiden radioaaltojen tulon tutkimustilaan, ettei protonien lähettämän signaalin mittaus häiriinny. Tutkittavasta kohteesta ei muodostu kuvaa ilman Faradayn häkin kaltaista eristystä.

Magneettikuvaus on käyttökelpoinen tapa kuvata koko kehoa. Se sopii niin tuki- ja liikuntaelimistön kuin pään alueen tutkimukseen. Osa metalleista on ferromagneettista ainetta. Ferromagneettiset kappaleet kehossa ovat kuvauseste, koska ne vuovaikuttavat voimakkaasti magneettikenttien kanssa. Kuvattavalla voi olla metalliproteesi, mutta sydämentahdistin saattaa olla kuvauseste. Ensimmäiset magneettikuvauslaitteet tulivat Suomeen 1980-luvulla. Nykyään laitteita on lukuisissa sairaaloissa ja niitä on kulkenut Suomessa rekan perävaunuissa jo vuodesta 1996 lähtien.

Magneettikuva polvesta.

Muut säteilyä hyödyntävät menetelmät

Isotooppilääketiede ja positroniemissiotomografia

Isotooppilääketieteessä potilaalle annetaan merkkiainetta. Merkkiaine kulkeutuu kehossa aineenvaihdunnan mukana. Merkkiaine valitaan tutkimuskohteen mukaan. Merkkiaine on radioaktiivista ja sen lähettämää säteilyä voidaan mitata. Positroniemissiotomografia (PET, Positron Emission Tomography) perustuu aineen lähettämään beetasäteilyyn. Tutkittavalle henkilölle annetaan merkkiainetta, joka on [[$ \beta^+ $]]-aktiivinen. Kun merkkiaineessa radioaktiivinen isotooppi hajoaa, se tuottaa positroneja. Positroni on elektronin antihiukkanen. Kun se kohtaa elektronin, positronin ja elektronin massa muuttuu säteilyksi. Ilmiötä kutsutaan annihilaatioksi. Syntyvää säteilyä voidaan mitata ja muodostaa kuva kameralla. PET-kuvausta käytetään syöpätutkimuksessa.

Säteilytys ja sädehoito

Ionisoiva säteily tuhoaa soluja. Se on terveydelle haitallista. Ionisoivaa säteilyä voidaan käyttää tuhoamaan myös pahanlaatuisia soluja. Sädehoidossa säteily kohdistetaan oikean osaan elimistöä ja sopivan suuruisena. Tällä tavoin säteilyllä on lopulta terveyttä edistävä vaikutus, vaikka myös terveet solut voivat altistua säteilylle.

Säteily terveydenhuollossa (STUK)

Ionisoivaa säteilyä voidaan käyttää sterilisoimaan välineitä tai tuhoamaan elintarvikkeista mikro-organismeja. Suomessa voi säteilyttää vain mausteita, mausteyrttejä tai maustekasveja. Pakkauksessa pitää olla merkintä, että kuluttaja tietää elintarvikkeen olevan säteilytetty. Suomessa ovat hyvät varastointi- ja pakkauskäytänteet, eikä säteilytystä tarvita laadun ylläpitämiseksi.

Elintarvikkeiden säteilyttäminen (Evira)

Palovaroitin

Palovaroittimessa hyödynnetään radioaktiivisuutta. Palovaroittimen ilmaisukammiossa on radioaktiivista isotooppia kuten amerikum-241-isotooppia. Isotooppi on alfa-aktiivinen. Radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvät alfahiukkaset ionisoivat ilmaa, mikä saa ilman johtamaan sähköä. Kun ilmaisinkammioon tulee savua, pysähtyvät alfahiukkaset savuhiukkasiin, eikä sähkövirta enää kulje. Palovaroitin hälyttää, kun sähkövirran kulku loppuu.

Palovaroittimen toiminta (STUK)

Radiohiiliajoitus

Radiohiiliajoitus on menetelmä, jonka avulla selvitetään elävän organismin kuolinajankohta. Se sopii iänmääritysmenetelmäksi niin kasveille kuin eläimillekin.

Radiohiili on hiilen isotooppi, jossa on 8 neutronia ([[$ ^{14}_{6}\textrm{C} $]]). Radiohiili syntyy ilmakehässä kosmisten säteiden osuessa ilmakehässä typpi-14 atomeihin. Kosmiset säteet ovat suurienergiaisia hiukkasia, joiden alkuperä on Auringossa tai avaruuden korkeaenergiaisissa tapahtumissa kuten supernovaräjähdyksissä. Kosmisten säteiden riittävän suuri energia muuttaa typpi-14-atomin hiili-14-atomiksi, radiohiileksi.

Hiiliatomit ovat ilmakehässä hiilidioksidimolekyyleinä. Osa hiilidioksidimolekyyleistä on muodostunut hiili-14-atomeista tyypillisen hiili-12-atomien sijaan. Yhteyttämisen johdosta hiilidioksidia kertyy ilmakehästä kasveihin. Eläimet ja ihmiset syövät, joten radiohiiltä kertyy ravinnon mukana niiden elimistöön. Elävällä oliolla tai kasvilla radiohiilen osuus pysyy aineenvaihdunnan myötä muuttumattomana. Kun eliö tai kasvi kuolee, ei uusia radiohiiliatomeja siirry elävään aineeseen.

Radiohiili ei ole pysyvä isotooppi. Sen määrä alkaa pienentyä hajoamislain mukaisesti. Radiohiili hajoaa beetahajoamisen kautta typpi-14-atomiksi.

[[$ \quad ^{14}_{6}\textrm{C }\rightarrow \textrm{ } ^{14}_{7}\textrm{N}+{_-}_{1}^{0}\textrm{e}+\overline{\nu} $]]

Hiili-14-isotoopin puoliintumisaika on 5730 vuotta. Vertaamalla kuolleen orgaanisen näytteen radiohiilen hajoamisten lukumäärää vastaavanlaisen elävän näytteen hajoamisten lukumäärään, saadaan selvitettyä, kuinka kauan aikaa on kulunut elävän organismin kuolemasta.

Radiohiilen muodostuminen ja kulkeutuminen ympäristössä

Hajoamislain kautta voidaan arvioida karkeasti näytteen ikä.

[[$ \quad N(t)=N_0e^{-\lambda t} $]]

Edellä esitetyssä tavassa tehdään oletus, että radiohiilen määrä ei ole muuttunut ilmakehässä vuosien saatossa. Todellisuudessa radiohiilen määrä on vaihdellut, mikä on huomioitava todellista ikää laskettaessa. Radiohiili sopii iänmäärittämiseen aina 60 000 vuoteen saakka. Tämän jälkeen hajoamisten lukumäärät ovat niin pieniä, että tulokset eivät ole luotettavia. Jos halutaan määrittää ikää yli 60 000 vuoden takaa, on käytettävä muita isotooppeja tai menetelmiä iänmääritykseen.

Esimerkkejä

Esimerkki 1

Röntgenputkessa käytetään 34 kV:n jännitettä. Mitä aallonpituuksia röntgenputkessa voidaan tuottaa?

Näytä ratkaisu

Esimerkki 2

Radiohiiltä ([[$ ^{14}_{6}\textrm{C} $]]) on ilmakehässä yksi atomi 10¹² hiili-12-atomia kohden. Puunäytteen iäksi arvioidaan 2700 vuotta. Kuinka monta hiili-12-atomia on yhtä radiohiiliatomia kohden?