Rentgenové záření

Rentgenové záření je forma elektromagnetického záření o vlnových délkách 10 nanometrů až 100 pikometrů (odpovídající frekvencím 30 PHz až 60 EHz). Využívá se při lékařských vyšetřeních a v krystalografii. Jedná se o formu ionizujícího záření a jako takové může být nebezpečné.

Záření vlnové délky větší než 0,1 nm je nazýváno měkké a kratší tvrdé rentgenové záření. Vlnové délky nejenergičtější části se částečně překrývají se zářením gama, avšak rozlišujeme je dle původu. Foton rentgenového záření vzniká při interakcích vysoce energického elektronu, kdežto záření gama při procesech uvnitř jádra atomu.

Rentgenové záření může být využito pro zobrazení detailů kostí a zubů (skiagrafie), popřípadě za pomoci vhodných technik i ke zkoumání měkké tkáně (densitografie, subtrakční radiografie, tomografie). Poté co Röntgen objevil využití pro pozorování kostních struktur, se rozvinulo jeho užívání v lékařském snímkování.

Snímek ruky Berthy Röntgenové, jeden z prvních rentgenových snímků, pořízen 28.12.1895

Rentgenové záření je ionizující elektromagnetické záření, proud fotonů, o energii řádově desítek až stovek keV. Typické rozmezí vlnových délek je 10-12 až 108 m. Přirozenými zdroji jsou hlavně hvězdy; uměle lze rentgenové záření získat v rentgenové trubici dopadem urychlených elektronů na anodu rentgentky (primární rentgenové záření).

Schéma vzniku Röntgenového záření

Vysokonapěťový zdroj vytváří napětí řádově desítek až stovek kilovoltů. Anoda musí být dostatečně chlazená, neboť 99% příkonu se přemění na teplo a pouze 1% na rentgenové záření. Ozařováním látek primárním rentgenovým zářením je buzeno sekundární (fluorescenční) rentgenové záření. Rentgenové záření působí druhotné záření látek v optickém oboru (luminiscence), zčernání fotografické emulze, ovlivňuje živou i neživou hmotu. Využívá se např. v rentgenové strukturní a spektrální analýze, v lékařství, radiační chemii a defektoskopii. Jako zdroj rentgenového záření se používá tzv. rentgenek neboli Coolidgeových trubic. Jedná se o skleněné evakuované trubice obsahující wolframovou anodu a žhavenou katodu. Na elektrody je přiváděno vysoké napětí (řádově 10-100 kV). Vysoká teplota katody umožňuje termoemisi elektronů, které jsou přiváděným napětím vysoce urychlovány a dopadají na anodu. Tam prudce ztrácejí svou kinetickou energii, která se mění z 0,1 % v energii emitovaných fotonů rentgenového záření a z 99,9 % v teplo. Anoda musí být intenzivně chlazena vodou nebo rotací, při které se neustále mění místo dopadu elektronového svazku.

Schéma vodou chlazené rentgenky

Uh – žhavicí napětí Ua – anodové napětí
K – katoda (žhavená) A – anoda, antikatoda
C – vodní chladič Win, Wout – přívod a odtok vody
X – retgenové záření (paprsky X)


Charakteristický zvuk provázející rentgenové vyšetření je způsobován právě rotující anodou. Takto vzniká brzdné (spojité, bílé) záření, které má spojité energetické spektrum.

Schéma rentgenky s rotující anodou

A – anoda, antikatoda B – expanzní kompenzátor (eliminuje teplotní roztažnost oleje)
C – katoda (žhavená) E – vakuová trubice
H – ochranný obal O – chladicí olej
R – rotor S – stator
T – anodový terčík W – Okénko Al nebo Be


Elektron o náboji e (1,602.10-19 C) získá v elektrostatickém poli s potenciálovým rozdílem U potenciální energii EP podle vzorce:

Ep = Ue

Tato energie je přeměněna v kinetickou energii EK:

Pro rychlost v elektronu o hmotnosti m při dopadu na anodu pak platí:

Maximální energie vyzářeného fotonu může pak dosáhnout hodnoty:

E = hf = Ue

Tato energie je charakterizována nejkratší možnou vlnovou délkou fotonu λ min:

kde h je Planckova konstanta (6,626.10-34 J.s) a c rychlost šíření světla ve vakuu. Po dosazení číselných hodnot získáme vztah mezi krátkovlnnou mezí a urychlovacím napětím:

Z toho vyplývá, že jeho vlastnosti závisí pouze na urychlovacím napětí, nezávisí na materiálu, z něhož je anoda vyrobena. Rozložení intenzity rentgenového záření v závislosti na vlnové délce je zachyceno na obr. 4: z něj vyplývá, že existuje pro každou hodnotu urychlovacího napětí existuje minimální vlnová délka rentgenového záření; Tuto nejkratší vlnovou délku označujeme jako krátkovlnná mez spojitého záření.

Rentgenová spektra wolframu při různých urychlujících napětích

Dalším mechanismem je vznik záření charakteristického. Dopadající elektrony mohou vyrazit některý elektron z nejvnitřnějších vrstev K nebo L, čímž vzniká neobsazené místo, které je okamžitě obsazeno jiným elektronem z vnějších vrstev. Při těchto přeskocích je uvolňováno značné množství energie ve formě fotonů rentgenového záření s energií rovné energetickému rozdílu mezi elektronovými hladinami. Toto záření má proto čárové energetické spektrum, které je závislé na materiálu anody.

Rentgenová spektra wolframu a molybdenu při urychlujícím napětí 35 kV

Intenzita rentgenového záření závisí na počtu elektronů dopadajících na anodu. Lze ji měnit nastavením velikosti elektrického proudu protékajícího rentgenkou.