مصادر الأشعة السينية تشمل تجهيزات بحثية وأجرامًا وظواهر في الفضاء. لفهمها نبدأ بآلية توليد الفوتون، لا بصورة استعمال الأشعة وحدها: قد يشع الإلكترون عندما تتغير حركته، أو تصدر الذرة فوتونًا عند ملء فجوة في مستوى داخلي. وتفسر هذه الآليات اختلاف الأطياف التي يرصدها الباحثون. [1][2]
أشعة الكبح: تغير حركة الإلكترون
عندما يمر إلكترون سريع قرب نواة أو أيون، يؤثر المجال الكهربائي في حركته. يمكن أن يفقد جزءًا من طاقته على صورة فوتون. تسمى هذه العملية إشعاع الكبح أو bremsstrahlung؛ لا يلزم أن يتوقف كل إلكترون تمامًا أو أن تتحول طاقته كلها إلى فوتون واحد. [1][2]
في أنبوب الأشعة السينية تكتسب الإلكترونات طاقة ثم تصطدم بمادة الهدف. تختلف مقادير الطاقة التي تنتقل في الأحداث المختلفة، لذلك يظهر مجال متصل من طاقات الفوتونات. طاقة الفوتون القصوى محدودة بالطاقة التي اكتسبها الإلكترون؛ هذا حد أعلى، لا وصف لطاقة كل الفوتونات الناتجة. [1]
إذن الإلكترون سبب في التوليد، لكنه ليس الأشعة نفسها. الأشعة السينية إشعاع كهرومغناطيسي مؤلف من فوتونات؛ تمييز الجسيم الداخل من الفوتون الخارج يمنع الخلط بين حزمة إلكترونات وحزمة أشعة. [2]
الأشعة المميزة: فجوة داخلية وانتقال محدد
قد تؤدي عملية تصادم إلى إزالة إلكترون من مستوى داخلي في ذرة مادة الهدف. عندما ينتقل إلكترون من مستوى أعلى لملء الفجوة، يمكن أن ينبعث فوتون طاقته تساوي فرق طاقتي المستويين: Eγ=Eupper−Elower. انتقالات معينة تنتج الأشعة السينية المميزة. [1][2]
تختلف طاقات هذه المستويات بين العناصر، لذلك تساعد مواضع الخطوط في التعرف إلى العنصر. لا يكفي القول إن «أي إلكترون يقفز» ليكون الناتج أشعة سينية؛ انتقالات أخرى تنتج ضوءًا مرئيًا أو إشعاعًا في أجزاء أخرى من الطيف. [1]
وقد يظهر في طيف أنبوب واحد منحنى الكبح المتصل وفوقه قمم مميزة لمادة الهدف. الخط والجزء المتصل لا يعنيان نوعين مختلفين من الجسيمات؛ كلاهما فوتونات، لكن آلية التوليد وتوزيع الطاقة يختلفان. [1]
ماذا نقرأ من الطيف؟
المحور الأفقي يمكن أن يعرض الطاقة، والعمودي مقدار الإشارة أو عدد الفوتونات في كل مجال طاقة. رسمنا هنا مخططًا نوعيًا: خلفية متصلة وقمتان توضيحيتان. ليس قياسًا لعنصر بعينه، ولا يجوز استخراج طاقة خط أو تركيز مادة منه.
للفوتون العلاقة E=hc/λ. إذا قارنا طولين موجيين 0.20 نانومتر و 0.10 نانومتر، مع ثبات h و c، كان E(0.10)/E(0.20)=0.20/0.10=2. الفوتون الأقصر طولًا موجيًا يحمل ضعف الطاقة في هذه المقارنة، لكن ذلك لا يخبرنا بعدد الفوتونات أو شدة الحزمة كلها. [4]
الأشعة السينية في السنكروترون
توجد آلية أخرى: عندما تنحني حركة إلكترونات عالية الطاقة تحت تأثير مجال مغناطيسي، يمكن أن تشع إشعاع السنكروترون. قد يمتد هذا الإشعاع إلى مجال الأشعة السينية، بحسب خصائص الجسيمات وحركتها. لا تتطلب الفكرة اصطدام الإلكترونات بمادة هدف كما في المثال السابق. [2]
وتحدث آلية السنكروترون أيضًا في بعض البيئات الكونية ذات الإلكترونات النشطة والمجالات المغناطيسية. لذلك لا ننسب كل أشعة سينية إلى أنبوب صناعي، ولا نفترض أن كل مصدر فلكي يعمل بآلية واحدة. [2]
مصادر طبيعية لا نراها من سطح الأرض بالطريقة نفسها
هالة الشمس والغاز شديد السخونة في بقايا المستعرات العظمى أمثلة لمصادر فلكية. وتنبعث الأشعة أيضًا من مادة ساخنة حول ثقوب سوداء؛ الحديث هنا عن المادة المحيطة، وليس خروج ضوء من داخل أفق الثقب الأسود. اختلاف الآليات والبيئة يجعل تحليل الطاقة والخطوط مهمًا. [2][3]
يمتص الغلاف الجوي الأرضي الأشعة السينية الآتية من الفضاء بكفاءة، ولهذا توضع مراصدها فوق الجزء الممتص من الغلاف الجوي. وتشير NASA إلى أن قياس طاقة الفوتونات وزمن وصولها واتجاهها يساعد على دراسة تركيب البيئات البعيدة وحرارتها. وتمثل هالة الشمس مصدرًا طبيعيًا قريبًا لدراسة هذه الأشعة. [3]
المصادر ومتابعة القراءة
- OpenStax College Physics: منشأ الأشعة السينية والطيف المتصل والمميز (يفتح في نافذة جديدة)openstax.org
- Chandra: إنتاج الأشعة والطيف والسنكروترون (يفتح في نافذة جديدة)chandra.harvard.edu
- NASA: الأشعة السينية والطاقة والمصادر الفلكية والغلاف الجوي (يفتح في نافذة جديدة)science.nasa.gov
- OpenStax College Physics: طاقة الفوتون والطول الموجي (يفتح في نافذة جديدة)openstax.org
أُعدّ هذا المقال بصياغة عربية أصلية بالاستناد إلى المصادر أعلاه، وهو مدخل تمهيدي إلى الموضوع. اقرأ منهجية المحتوى وحدوده.