എക്സ് കിരണം

10^-9 മീറ്റർ മുതൽ 10^-11 മീറ്റർ വരെ തരംഗ ദൈർഘ്യം ഉള്ള വിദ്യുത്കാന്തിക തരംഗങ്ങൾ ആണ് എക്സ് കിരണം (X-ray) എന്നറിയപ്പെടുന്നത്. 1895-ൽ വില്യം റോൺട്ജൻ ഡിസ്ചാർജ്ജ് ട്യൂബ് ഉപയോഗിച്ചുള്ള ചില പരീക്ഷണങ്ങൾക്കിടെ അവിചാരിതമായി കണ്ടെത്തിയ വികിരണങ്ങളാണ്‌ പിൽക്കാലത്ത്‌ എക്സ് കിരണങ്ങൾ എന്നറിയപ്പെട്ടത്.

ഉത്ഭവം

എക്സ് റേ ട്യൂബിന്റെ പ്രവർത്തനം വ്യക്തമാക്കുന്ന രേഖാചിത്രം

അതിവേഗ ഇലക്ട്രോണുകൾ ലോഹങ്ങളുമായി കൂട്ടിമുട്ടി അവയുടെ ഗതികോർജ്ജം നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്നതാണ്‌ എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ ഉത്ഭത്തിന്റെ തത്ത്വം .ലോഹവുമായുള്ള കൂട്ടിമുട്ടൽ വഴി 99.8 ശതമാനം ഇലക്ട്രോണുകളിലെയും ഗതികോർജ്ജം താപോർജ്ജമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു.എന്നാൽ ശേഷിക്കുന്ന 0.2 ശതമാനം ഇലക്ട്രോണുകൾ ലോഹത്തിലെ ആറ്റങ്ങളുടെ അണുകേന്ദ്രത്താൽ ആകർഷിക്കപ്പെടുന്നു.അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ആകർഷണഫലമായി ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഊർജ്ജം കുറയുന്നു.ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഈ ഊർജ്ജനഷ്ടമാണ്‌ എക്സ് കിരണങ്ങളായി പുറത്തുവരുന്നത്.ഇത്തരത്തിൽ ഉണ്ടാകുന്ന വികിരണങ്ങളുടെ ആവൃത്തിയിൽ ക്രമാനുഗതമായ കുറവുണ്ടാകുന്നതായി കാണാം.

ഇലക്ട്രോണുകളുടെ പ്രവേഗം വളരെക്കൂടുതലാണെങ്കിൽ അവ അണുകേന്ദ്രത്തിനു സമീപമുള്ള പ്രധാന ഊർജ്ജനിലകളിലെ (Atomic Orbit) ഇലക്ട്രോണുകളെ തട്ടിത്തെറിപ്പിക്കുന്നു.അങ്ങനെയുണ്ടാകുന്ന ഇലക്ട്രോൺ വിടവ് നികത്താൻ തൊട്ടു മുകളിലുള്ള ഊർജ്ജനിലയിൽ നിന്ന് ഒരു ഇലക്ട്രോൺ ഊർജ്ജം നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്നു. ഈ ഊർജ്ജം ഒരു പ്രത്യേക ആവൃത്തിയുള്ള എക്സ് വികിരണമായി പുറത്തേക്കു വരുന്നു. എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ തുടർ വർണരാജിയിലെ(Continuous spectrum) നേർരേഖകൾക്ക് കാരണം ഇത്തരത്തിലുണ്ടാകുന്ന വികിരണങ്ങളാണ്‌.

ഉത്പാദനം

Coolidge X-ray tube, from around 1917. The heated cathode is on the left, and the anode is right. The X-rays are emitted downwards.

എക്സ് റേ ട്യൂബ് ഉപയോഗിച്ചാണ്‌ എക്സ് കിരണങ്ങൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നത്.ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന കിരണങ്ങളുടെ തീവ്രതയനുസരിച്ച് എക്സ് റേ ട്യൂബുകളുടെ ഘടനയിൽ വ്യത്യാസം വരുത്തുന്നു. വില്യം കോളിഡ്ജ് രൂപകല്പന ചെയ്ത കോളിഡ്ജ് ട്യൂബ് എക്സ് റേ ട്യൂബിനുദാഹരണമാണ്‌. ഇലക്ട്രോൺ പ്രഭാവത്തിനുള്ള ഒരു ടങ്സ്റ്റൺ കാതോഡും, 45 ഡിഗ്രി ചരിവുള്ള ടങ്ങ്സ്റ്റൺ(അല്ലെങ്കിൽ മൊളിബ്ഡിനം) ടാർജറ്റ് ഘടിപ്പിച്ച ചെമ്പ് ആനോഡും ആണ്‌ എക്സ് റേ ട്യൂബിന്റെ പ്രധാന ഭാഗങ്ങൾ. കാതോഡിൽ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾ ടങ്സ്റ്റൺ ടാർജറ്റിൽ പതിയ്ക്കുമ്പോൾ എക്സ് കിരണങ്ങൾ ഉണ്ടാകുന്നു. കാതോഡിൽ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണവും പ്രവേഗവും അനുസരിച്ച് എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ തീവ്രത വ്യത്യാസപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു.

സവിശേഷതകൾ

തീവ്രത

എക്സ് റെ ട്യൂബിന്റെ ടാർജറ്റിൽ പതിയ്ക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം കൂടുന്നതിനനുസരിച്ച് ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ തീവ്രത വർദ്ധിക്കുന്നു. ടാർജറ്റിൽ പതിയ്ക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം കാതോഡിൽ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണത്തിന്‌ ആനുപാതികമാണ്‌. കാതോഡിൽ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം കാതോഡിന്റെ താപനിലയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. അതുകൊണ്ടു തന്നെ എക്സ് റേ ട്യൂബിന്റെ കാതോഡിന്റെ താപനില വർദ്ധിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച് എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ തീവ്രതയും വർദ്ധിക്കുന്നു.

എക്സ് കിരണങ്ങൾ കടന്നുപോകുന്ന മാധ്യമം അവയെ ആഗിരണം ചെയ്യുന്നു. അതായത് ചില മാധ്യമങ്ങളിൽക്കൂടി കടന്നുപോകുമ്പോൾ എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ തീവ്രതയിൽ ക്രമാനുഗതമായ കുറവുണ്ടാകുന്നു.$I_{\rm {0}}$ തീവ്രതയുള്ള ഒരു എക്സ് കിരണം ഒരു മാധ്യമത്തിലൂടെ $x$ ദൂരം സഞ്ചരിക്കുമ്പോൾ തീവ്രതയിലുണ്ടാകുന്ന കുറവ് $I=I_{\rm {0}}\,e^{-\mu x}$ എന്ന സമവാക്യം അനുസരിക്കുന്നു. പ്രസ്തുത സമവാക്യത്തിലെ $\mu$ എക്സ് കിരണത്തിന്റെ ആഗിരണ ഗുണാങ്ക(Absorption coefficient)ത്തെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു.

ഫോട്ടോഗ്രാഫിക് പ്ലേറ്റിൽ എക്സ് കിരണമുണ്ടാക്കുന്ന മാറ്റങ്ങളുടെ സ്വഭാവവും അവ അയോണീകരണം വഴി ഉണ്ടാക്കുന്ന വൈദ്യുതിയുടെ അളവുമാണ്‌ എക്സ് അവയുടെ തീവ്രത അളക്കാനുള്ള ഉപാധികൾ.

ആവൃത്തി

വിദ്യുത്കാന്തിക വർണരാജിയിലെ എക്സ് കിരണത്തിന്റെ ആവൃത്തി 3 പെറ്റാഹെട്സ് മുതൽ 3 എക്സാഹെട്സ് വരെ(3 × 10¹⁶ Hz മുതൽ 3 × 10¹⁹ Hz വരെ)യാണ്‌. ഒരു എക്സ് റേ ട്യൂബിൽ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന കിരണങ്ങളുടെ ആവൃത്തി അതിന്റെ കാതോഡിനും ആനോഡിനും ഇടയിലുള്ള പൊട്ടൻഷ്യൽ വ്യത്യാസത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. എക്സ്റേ ട്യൂബിലെ പൊട്ടൻഷ്യൽ വ്യത്യാസം $V$ യും ഇലക്ട്രോൺ ചാർജ്ജ് $e$ യും ആയാൽ ആ ട്യൂബിൽ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ പരമാവധി ആവൃത്തി, $\nu _{\rm {max}}={\frac {eV}{h}}$ ആണ്‌.ഇവിടെ $h$ പ്ലാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കത്തെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു.

തരംഗദൈർഘ്യം

എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ തരംഗദൈർഘ്യം 10^-9 മീറ്റർ മുതൽ 10^-11 മീറ്റർ വരെയാണ്‌.എക്സ് കിരണം ലെഡ് പോലുള്ള ചില വസ്തുക്കളിൽ പതിയ്ക്കുമ്പോൾ അവയുടെ തരംഗദൈർഘ്യത്തിനുണ്ടാകുന്ന വ്യതിയാനം കോം‌പ്റ്റൺ പ്രതിഭാസം എന്നറിയപ്പെടുന്നു.

എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ തരംഗദൈർഘ്യം സൂചിപ്പിക്കാനുപയോഗിക്കുന്ന ഏകകമാണ്‌ എക്സ് യൂണിറ്റ്( X-unit)അഥവാ എക്സ്.യു(X.U)

1 X.U =10^-11cm =10^-13m =10^-3A^o

പ്രതിദീപ്തി(Fluorescence)

എക്സ് കിരണങ്ങൾ ചില പദാർത്ഥങ്ങളിൽ പതിയ്ക്കുമ്പോൾ ഫോട്ടോൺ ഉത്സർജ്ജിക്കപ്പെടുന്ന പ്രതിഭാസമാണ് എക്സ് റേ പ്രതിദീപ്തി.മരതകം, പവിഴം,വജ്രം എന്നീ രത്നങ്ങൾ എക്സ് റേ പ്രതിദീപ്തി കാണിക്കുന്നു. ചില രാസപദാർത്ഥങ്ങളിലെ മൂലകങ്ങൾ വേർതിരിക്കാനുപയോഗിക്കുന്ന എക്സ് റേ പ്രതിദീപ്തി സ്പെക്ട്രം മിതി(X ray Fluorescent Spectroscopy)യുടെയും ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള അതിചാലകതയുടെ സ്വഭാവം പഠിക്കാനുപയോഗിക്കുന്ന എക്സ് റേ ഹോളോഗ്രഫി(X-Ray Holography)യുടെയും അടിസ്ഥാനം എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ ഈ സവിശേഷതയാണ്‌.

എക്സ് റേ സ്പെക്ട്രം

തുടർവർണരാജി(continuous spectrum)

ടാർജറ്റിലെ അണുകേന്ദ്രത്താൽ ആകർഷിക്കപ്പെടുന്ന അതിവേഗ ഇലക്ട്രോണിന്റെ ത്വരണം കുറയുകയും അതിന്റെ നേർരേഖാപാതയ്ക്ക് വ്യതിയാനം സംഭവിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.തത്ഫലമായുണ്ടാകുന്ന ഊർജ്ജനഷ്ടം എക്സ് കിരണങ്ങളായി പരിണമിക്കുന്നു.‌

അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ആകർഷണഫലമായി ഇലക്ട്രോണുകൾക്കുണ്ടാകുന്ന ക്രമമായ ഊർജ്ജനഷ്ടം എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ തുടർ വർണരാജി(continuous spectrum)യ്ക്കു രൂപം നൽകുന്നു.കൃത്യമായി നിർവചിക്കപ്പെട്ട ഒരു ന്യൂനതമ തരംഗദൈർഘ്യം(minimum wavelength limit)ആണ്‌ തുടർ വർണരാജിയുടെ സവിശേഷത. ഒരു എക്സ് റേ സ്പെക്ട്രത്തിൽ ഉത്സർജ്ജിക്കപ്പെടുന്ന ഏറ്റവും ഹ്രസ്വമായ തരംഗദൈർഘ്യമാണ്‌ ന്യൂനതമ തരംഗദൈർഘ്യം.എക്സ് റേ ട്യൂബിൽ ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്ന വോൾട്ടേജ് കൂടുന്നതിനനുസരിച്ച് ഈ തരംഗദൈർഘ്യത്തിന്റെ അളവ് കുറയുന്നു.

ടാർജറ്റിന്റെ അണുകേന്ദ്രത്താൽ ആകർഷിക്കപ്പെടുന്ന ഇലക്ട്രോണിന്റെ ആരംഭഊർജ്ജം E₁ ഉം അവസാന ഊർജ്ജം E₂ഉം ആയാൽ,

$E_{\rm {2}}-E_{\rm {1}}=h\nu \,$

($\nu$-എക്സ് കിരണത്തിന്റെ ആവൃത്തി)

ആപേക്ഷികസിദ്ധാന്തപ്രകാരം,

$E=mc^{2}\,\!$

അതായത്,

$mc_{\rm {2}}^{2}-mc_{\rm {1}}^{2}=h\nu .\,$

ഇവിടെ c₁ഇലക്ട്രോണിന്റെ ആദ്യപ്രവേഗവും c₂അന്ത്യപ്രവേഗവും ആണ്‌.

ഇലക്ട്രോണിന്റെ ഊർജ്ജം പൂർണമായും എക്സ് തരംഗരൂപത്തിൽ നഷ്ടപ്പെടുന്നു എങ്കിൽ,c₂ =0 ആയിരിക്കും.അപ്പോൾ,

$mc^{2}=h\nu _{\rm {max}}.\,$

എക്സ് റേ ട്യൂബിലെ വോൾട്ടേജ് V ആയാൽ,

$h\nu _{\rm {max}}=eV\,$

ആവൃത്തിയും തരംഗദൈർഘ്യവും തമ്മിൽ ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന സൂത്രവാക്യമനുസരിച്ച്

$\nu _{\rm {max}}={\frac {c}{\lambda _{\rm {min}}}},$

അതായത്,

$eV=h{\frac {c}{\lambda _{\rm {min}}}}$

പ്രസ്തുത സമവാക്യത്തിലെ$\lambda _{\rm {min}}$ സാധ്യമായ ഏറ്റവും ചെറിയ തരംഗദൈർഘ്യം അഥവാ ന്യൂനതമ തരംഗദൈർഘ്യത്തെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു.

∴ന്യൂനതമ തരംഗദൈർഘ്യം,$\lambda _{\rm {min}}={\frac {hc}{eV}}\,$

ഇവിടെ, ഇലക്ട്രോണിന്റെ ചാർജ്ജ്, e =1.602x10^-19 C
പ്ലാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കം,h =6.625x10^-34 Js
പ്രകാശവേഗം,c =3x10⁸ m/s

∴ന്യൂനതമ തരംഗദൈർഘ്യം,$\lambda _{\rm {min}}={\frac {12,400}{V}}\,$ A^o

നേർരേഖാസ്പെക്ട്രം(Line Spectrum)

പ്രവേഗം വളരെക്കൂടുതലുള്ള ഇലക്ട്രോണുകൾ ടാർജറ്റിലെ ആറ്റത്തിനുള്ളിൽ നിന്ന് അണുകേന്ദ്രത്തിനു സമീപമുള്ള ഇലക്ട്രോണുകളെ തട്ടിത്തെറിപ്പിക്കുകയും അങ്ങനെയുണ്ടാകുന്ന ഇലക്ട്രോൺ വിടവ് നികത്താൻ തൊട്ടുമുകളിലുള്ള ഊർജ്ജനിലയിലെ ഇലക്ട്രോൺ ഊർജ്ജം നഷ്ടപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്യുന്നതാണ്‌ എക്സ് കിരണങ്ങളുടെ നേർരേഖാസ്പെക്ട്ര(Line Spectrum or Discontinuous spectrum)ത്തിനു കാരണം.തുടർ വർണരാജിയിൽ നേർരേഖകളായാണ്‌ നേർരേഖാസ്പെക്ട്രം കാണപ്പെടുന്നത്.ഇലക്ട്രോൺ സ്ഥാനാന്തരണം സംഭവിക്കുന്ന ഊർജ്ജനിലകളെ ആസ്പദമാക്കി നേർരേഖാസ്പെക്ട്രത്തിലെ രേഖകളെ K-സീരീസ്,L-സീരീസ്,M-സീരീസ് എന്നിങ്ങനെ തരം തിരിക്കാം.K-സീരീസ് രേഖകൾ ഉയർന്ന ഊർജ്ജനിലകളിൽ നിന്നും ഇലക്ട്രോണിന്‌ K-ഷെല്ലിലേക്ക് സ്ഥാനാന്തരണം സംഭവിക്കുമ്പോൾ രൂപം കൊള്ളുന്നവയാണ്‌.അതുപോലെ L-സീരീസിലെ രേഖകൾ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉയർന്ന ഊർജ്ജനിലകളിൽ നിന്നും L ഷെല്ലിലേക്കു പ്രയാണം ചെയ്യുമ്പോഴും M-സീരീസ് അവ ഉയർന്ന ഊർജ്ജനിലകളിൽ നിന്നും M ഷെല്ലിലേക്കു പ്രയാണം ചെയ്യുമ്പോഴും രൂപം കൊള്ളുന്നു.അണുകേന്ദ്രത്തിനു സമീപമുള്ള ഊർജ്ജനിലകൾ തമ്മിലുള്ള ഊർജ്ജ വ്യത്യാസം കൂടുതലായതിനാൽ K-സീരീസ് രേഖകളുടെ തീവ്രത വളരെക്കൂടുതലായിരിക്കും.ടാർജറ്റിന്റെ സ്വഭാവമനുസരിച്ച് സ്പെക്ട്രത്തിന്റെ സ്വഭാവത്തിനും വ്യതിയാനം സംഭവിക്കുന്നു.

ജ്യോതിശാസ്ത്രവും എക്സ്-റേ തരംഗവും

എക്സ്-റേ തരംഗങ്ങൾക്ക് ഭൗമാന്തരീക്ഷത്തെ മറികടന്ന് ഭൂമിയിലേക്ക് എത്താനാവില്ല. താപനില 10⁶ K ഉള്ള വാതകങ്ങൾ ആണ് എക്സ് റേ തരംഗങ്ങൾ വികിരണം ചെയ്യുന്നത്. അതിനാൽ പ്രപഞ്ചത്തിലെ ഊർജ്ജപൂരിതമായ മേഖലകളെ കുറിച്ച് പഠിക്കാനാണ് എക്സ് റേ തരംഗ ദൈർഘ്യത്തിലുള്ള വിദ്യുത് കാന്തിക തരംഗങ്ങൾ ഉപയോഗപ്പെടുക.

External links

Wiktionary

എക്സ് കിരണം എന്ന വാക്കിനർത്ഥം മലയാളം വിക്കി നിഘണ്ടുവിൽ കാണുക

• X-Ray Discussion Group
• A Photograph of an X-ray Machine Archived 2007-08-10 at the Wayback Machine.
• An X-ray tube demonstration (Animation)
• 1896 Article: "On a New Kind of Rays" Archived 2007-07-10 at the Wayback Machine.
• X-ray Tube in Action (Animation) Archived 2006-06-27 at the Wayback Machine.
• Cathode Ray Tube Collection Archived 2008-11-13 at the Wayback Machine.
• X-Ray Art by Nick Veasey Archived 2008-09-13 at the Wayback Machine.