الأشعة السينية شكل من الضوء لا تراه العين، وطاقتها أعلى بكثير وأطوالها الموجية أقصر بكثير من الضوء المرئي. ويعرض المستكشف أشعة سينية طولها الموجي 0.5 نانومتر (500 بيكومتر)، وهو يقع بوضوح ضمن نطاق الأشعة السينية. والطول الموجي هو المسافة من قمة موجة إلى القمة التالية، والنانومتر جزء من مليار من المتر.
الطول الموجي
تحدد ناسا الأطوال الموجية للأشعة السينية بما بين 0.03 و3 نانومترات. وعند الطرف الطويل تتاخم الأشعة السينية الأشعة فوق البنفسجية، وعند الطرف القصير تتاخم أشعة غاما.
وترسم المصادر هذه الحدود في مواضع مختلفة. فتعرّف صفحة أخرى من ناسا الأشعة السينية بالطاقة بدلًا من ذلك، وهو ما يعادل أطوالًا موجية من نحو 0.012 إلى 12 نانومترًا. ويقع الطول الموجي 0.5 نانومتر الذي يعرضه المستكشف ضمن النطاقين.
ويصف العلماء الأشعة السينية عادةً بطاقتها لا بطولها الموجي، ويعود ذلك جزئيًا إلى أن أطوالها الموجية صغيرة جدًا. وينتقل الضوء في حزم صغيرة من الطاقة تسمى الفوتونات. وكلما قصر الطول الموجي زادت الطاقة التي يحملها كل فوتون. وتستطيع الأشعة السينية أن تنفذ عبر مواد كثيرة تمتص الضوء المرئي.
مقارنات الحجم
- يعادل الطول الموجي 0.5 نانومتر تقريبًا عرض ذرة سيزيوم، وهي من أكبر الذرات.
- الضوء البنفسجي، وهو الضوء المرئي ذو أقصر طول موجي تراه العين، طوله الموجي نحو 400 نانومتر، أي 800 ضعف الطول الموجي لهذه الأشعة السينية.
- تكفي نحو 160,000 إلى 200,000 من هذه الأطوال الموجية لتغطية عرض شعرة الإنسان، التي يبلغ عرضها من 0.08 إلى 0.1 مليمتر.
- يحمل كل فوتون من هذه الأشعة السينية طاقة تساوي 1,000 ضعف طاقة فوتون من الضوء المرئي طوله الموجي 500 نانومتر.
كيف اكتُشفت الأشعة السينية
اكتشف فيلهلم رونتغن الأشعة السينية عام 1895. كان يمرّر الكهرباء عبر أنبوب زجاجي يحتوي غازًا مخلخلًا، وكان قد غطّى الأنبوب. فظهر ضوء خافت على شاشة حساسة للضوء قريبة، سببه نوع جديد من الإشعاع يستطيع اختراق الغطاء. ونال رونتغن جائزة نوبل في الفيزياء عام 1901.
ووجد رونتغن أن الأشعة السينية التي تمر عبر اليدين والذراعين تعطي صورًا مفصلة للعظام في داخلها. فالعظام كثيفة وتمتص من الأشعة السينية أكثر مما يمتص الجلد. ولذلك تترك العظام ظلالًا على فيلم الأشعة السينية، بينما يبدو الجلد شبه شفاف.
كيف تكشف الأشعة السينية مواضع الذرات
عندما تمر الموجات عبر فتحات صغيرة متقاربة، تكوّن نمطًا يسمى نمط الحيود. وفي عام 1912 اقترح ماكس فون لاوه أن الصفوف المنتظمة من الذرات في البلورة ستفعل الشيء نفسه بالأشعة السينية. وأثبتت التجارب صحة ما قال، وبيّنت أن الأشعة السينية تسلك سلوك الموجات. ونال لاوه جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1914.
ثم توصل ويليام براغ وابنه لورنس إلى العلاقة التي تربط الطول الموجي للأشعة السينية وزاويتها بالمسافة بين طبقات الذرات. وهذا جعل من الممكن حساب مواضع الذرات في البلورة. واقتسم براغ الأب والابن جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1915.
لماذا توجد تلسكوبات الأشعة السينية في الفضاء
يمتص الغلاف الجوي للأرض الأشعة السينية، ولذلك يجب أن تعمل تلسكوبات الأشعة السينية فوقه. ولا ترتد الأشعة السينية عن مرآة إذا سقطت عليها عموديًا، لذلك تستخدم هذه التلسكوبات مرايا تسقط عليها الأشعة بزاوية ضحلة. ويرصد مرصد تشاندرا للأشعة السينية التابع لناسا أطوالًا موجية تبلغ نحو 0.12 إلى 12 نانومترًا، ويشمل ذلك 0.5 نانومتر. وفي الفضاء تأتي الأشعة السينية من أجسام تبلغ حرارتها ملايين الدرجات، مثل أقراص الغاز حول الثقوب السوداء.
المصادر
- X-Rays. NASA Science.
- Electromagnetic Spectrum – Introduction. NASA Imagine the Universe.
- Electromagnetic Spectrum. NASA Imagine the Universe.
- Overview of the Chandra X-Ray Observatory Facility. Weisskopf and Six, NASA, 2002.
- Wilhelm Conrad Röntgen: Facts. Nobel Prize Outreach.
- Max von Laue: Facts. Nobel Prize Outreach.
- Lawrence Bragg: Facts. Nobel Prize Outreach.
- Planck constant in eV/Hz. NIST CODATA.
- Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.