Ionizirajoče elektromagnetno sevanje

Ena zgodnejših rentgenskih žarnic

V prejšnjem članku sem opisal samo neionizirajoče sevanje, tisto nenevarno, ki ima večje valovne dolžine. S krajšanjem valovne dolžine pa energijo sevanja povečamo in tako postane nevarnejše. Tako najprej pridelamo infrardeče sevanje, ki ga čutimo kot toploto, njegova energija pa je tako majhna, da že oblačno vreme zastre toploto s Sonca. Ko se zoblači, začutimo, da je postalo hladneje. Vodna para za to sevanje predstavlja zid. ((Kako vodna para absorbira sevanje pri različnih frekvencah? Vidimo lahko, da se UV-žarki in vidna svetloba slabo absorbirajo, IR-sevanje pa dobro: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water)) Vidna svetloba se do neke mere za oblaki zastre, opazimo lahko, da se je stemnilo, zaradi oblakov pa vseeno ne nastane noč. Ultravijolični žarki pa s seboj nosijo že dovolj energije, da se lahko na oblake požvižgajo. Čeprav je ob oblačnem vremenu hladneje, nas vseeno lahko popeče. Kdor misli, da se bo lahko ob takem vremenu kopal z manj zaščite in bolj brezskrbno, bo svoje neznanje plačal s popečeno kožo in neprespano nočjo. Vse naštete vrste sevanja prihajajo s Sonca hkrati, a če ste prebrali članek o toplotnem sevanju, potem vse to že veste. Kaj pa nas čaka onstran energij ultravijoličnega sevanja?

Celoten elektromagnetni spekter

Prvi po vrsti, takoj za ultravijoličnim sevanjem, so rentgenski žarki. Poimenovani so po odkritelju Röntgenu, ki jih je sam imenoval žarki X, a so jih kasneje poimenovali po njem in mu za to odkritje tudi dodelili Nobelovo nagrado. To sevanje obsega valovne dolžine od 10 nanometrov do stotinke nanometra, kar jim daje dovolj energije, da zlahka prodrejo tudi v trdne snovi, ne pa samo dva centimetra v mišico kot žarki mikrovalovne pečice. ((Več o prodornosti sevanja v materiale, kako deluje in kako se računa, s poudarkom na rentgenskih žarkih: http://www.sprawls.org/ppmi2/RADPEN/)) Zaradi te lastnosti jih uporabljajo za slikanje kosti, pa tudi mehkih tkiv. Tej veji medicine pravijo radiologija, kar mnoge zmede, ker besedo povežejo z radijskimi valovi, čeprav z njimi nima zveze.

Rentgensko sevanje bi težko ustvarili s tehnologijo z antenami, ki sevanje oddajajo tako, da se v njih hitro menja smer toka (delovanje anten je bolj podrobno opisano v članku o neionizirajočih sevanjih). Da bi dobili rentgensko sevanje, bi moral tok v anteni zamenjati smer milijardkrat miljardkrat na sekundo, kar je zelo težko doseči, med drugim tudi zaradi kožnega pojava, ki praktično prepreči tako hitro izmenjujoč tok po žici. Ker si s poznavanjem delovanja radijskih oddajnikov tu ne moremo pomagati, se zatečemo k čarobnim trikom kvantne mehanike.

Rentgensko sevanje pridobimo z nečim, kar je podobno žarnici, vpeti v močno električno polje. Na eni strani imamo negativno naelektreno katodo, ki je hkrati tudi žarilna nitka, kot iz žarnice, na drugi strani pozitivno naelektreno anodo, med eno in drugo elektrodo tiči kovinska ploščica, past za elektrone, vse skupaj pa je “potopljeno” v vakuum.

Ena zgodnejših rentgenskih žarnic

Ko vklopimo to napravo, začne nitka žareti in svetiti, poleg svetlobe pa se iz nje zaradi vse tiste vročine izvije kak prosti elektron. Ta se naenkrat znajde v neprijaznem svetu električnega polja: na eni strani ga negativna elektroda odbija, na drugi strani pa ga pozitivna elektroda privlači, in ker je napetost velika, je tudi sila na elektron velika. Ta se zato z zaletom zaleti v kovino na poti, sem pa tja se kakšen zaleti ravno prav in kvantna mehanika gor, kvantna mehanika dol, iz kovine zasveti ((Pojavu, ko težji atom izseva rentgenski žarek zaradi trka elektrona veliko hitrostjo, pravimo zavorno sevanje ali bremsstrahlung: http://en.wikipedia.org/wiki/Bremsstrahlung)) rentgensko sevanje. Za tak trk elektrona v jedro kovinskega atoma je zelo malo možnosti. Elektroni morajo res imeti srečo (ali nesrečo), da se to zgodi. A pri vsem oblaku elektronov, ki jih streljamo v kovino, se vedno najde nekaj takih, ki imajo slučajno ravno tisto mikrosekundo Jupiter poravnan z Marsom in luno v škorpijonu,  ravno pravo energijo, da se bo zavorno sevanje zgodilo. Manj kot 1 % energije elektronov se pretvori v rentgensko svetlobo, ostala energija pa v toploto.

Rentgensko sevanje je človeku nevarno, a že izumitelj sam je ugotovil, da se ti žarki, čeprav dovolj močni za pot skozi trdne snovi, le ustavijo v svincu. Ovira iz svinca mora biti le dovolj debela, odvisno o katerih rentgenskih žarkih govorimo. Zadosti je lahko že milimeter debel listič, tisti z več energije pa prebijejo tudi stene do nekaj centimetrov.

Rentgenski žarek dobi več energije, tako da katodo in anodo vpnemo v električno polje z večjo napetostjo, da prosti elektron trči ob kovinsko oviro z večjo hitrostjo in zato odda toliko več zavornega sevanja. Na tem grafu se vidi, da so spektri sevanja -- to so tiste črte -- opisani s kilovolti: pri toliko kilovoltih toliko seva. Opazite podobnost z grafi toplotnega sevanja? Za vse sevanje velja: več energije, več muzike.

S povečevanjem energije počasi preidemo v območje gama sevanja. Stroge ločnice, pri kateri valovni dolžini še govorimo o rentgenskem sevanju, ni. Splošno mnenje je nekako, da govorimo o rentgenskem sevanju, če se sevanje sprošča ob manipulaciji elektronov okrog atomskega jedra. O gama žarkih pa govorimo, ko se sevanje tvori kar v jedru atoma, to je pri radioaktivnem razpadu. Gama žarki imajo izjemno kratke valovne dolžine, manj kot stotinko nanometra, in visoke frekvence. Ta vrsta svetlobe je najbolj nabita z energijo.

Razen z radioaktivnim razpadom ga lahko ustvarimo tudi v pospeševalnikih delcev, v naravi pa so viri gama sevanja tudi ekstremni kozmični pojavi, kot so naprimer pulzarji ali dogodki, imenovani kar izbruhi gama žarkov. Na Zemlji teh nasilnih vesoljskih zveri ne moremo poustvariti, nositi pospeševalnike delcev okrog pa je nepraktično, zato uporabljamo kar sevanje iz radioaktivnih elementov: pogosto kobalt (Co-60) ali cezij (Ce-137), za medicinsko diagnostiko pa tehnecij (Tc-99m), ker oddaja sevanje v podobnih valovnih dolžinah kot rentgen. Gama sevanje uporabljamo za skeniranje tovornjakov na carini, sterilizacijo medicinskih pripomočkov, za zdravljenje raka z obsevanjem, za požarne alarme in vsepovsod v industriji: za merjenje debeline, za zagotavljanje brezhibnosti materialov, merjenje vlažnosti v snoveh itd. Vsestransko uporabno gama sevanje je res nevarno, a je pri previdni uporabi izjemno koristno.

Vsa opisana sevanja so ionizirajoča, kar pomeni, da imajo za razliko od neionizirajočih dovolj energije, da iz atoma izbijejo elektron, s čimer lahko vplivajo na kemijske lastnosti molekul. Če je tista molekula povsem slučajno vaša dedna zasnova, lahko celica s tako DNK postane rakava, zato je ionizirajoče sevanje škodljivo. Pri tem seveda veljajo določena pravila: višje frekvenčno sevanje, kot na primer gama ali rentgensko, škoduje bolj kot nižje frekvenčno, pa tudi globlje prodre. Poleg tega tudi količina sevanja vpliva na škodljivost: večja doza sevanja je bolj nevarna kot manjša doza, saj tako povečamo tisto majhno možnost, da bo elektron izbit na točno pravilen način, točno v pravi molekuli, da bi nam škodoval.

Vse sevanje ni enako, ko govorimo o njegovem vplivu na zdravje, zato je na tankem ledu tisti, ki govori slabšalno o sevanju na splošno. Imamo takšna sevanja in imamo drugačna sevanja, pa tudi pri isti vrsti sevanja je težko jasno reči, da škoduje, ker je njegova škodljivost odvisno od mnogo faktorjev. Če na primer z mlečno belo kožo sedimo na popoldanskem soncu 3 ure, nas bo popeklo, če pa se dober mesec vsak dan za pet minut odpravimo na sonce, pa morda niti porjaveli ne bomo. Razlika v posledicah je očitna, čeprav smo prejeli isto dozo sevanja, to je 180 minut popoldanskega sonca. V praksi to pomeni, da še nihče ni na primer dobil raka od medicinskega slikanja z radioaktivnim tehnecijem, ((Vpliv rentgena v medicinski diagnostiki na razvoj raka je tako majhen, da ni merljiv. Za vse praktične namene lahko rečemo, da se to ne dogaja.)), predolga izpostavljenost Sončevim UV-žarkom, ki so proti strašnemu gama sevanju le krotke mucke, pa je znan vzrok kožnega raka. Po drugi strani pa je prav zaradi rentgenske mamografije marsikatera ženska preživela raka na dojki. Stvari niso vedno, kot se zdijo, in za sevanje to še posebej velja.

“Življenje na Zemlji se je razvilo ob večno prisotnem sevanju. Sevanje ni rezultat človekove premetenosti: obstaja že od zmeraj.” (Eric J. Hall)