รังสีเอ็กซ์ (X-ray)

รังสีเอกซ์ (X-rays) คืออะไร

"หากใครเคยประสบอุบัติเหตุถึงขั้นกระดูกร้าวหรือกระดูกหัก คงคุ้นเคยดีกับแผ่นฟิล์มสีดำและเงาสีขาว ๆ จากการเอกซเรย์ ที่บ่งบอกว่า กระดูกภายในร่างกายของเรามีการแตกหักเสียหายที่ตำแหน่งใด มากน้อยแค่ไหน และอย่างไรบ้าง นั่นเพราะความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ และการค้นพบรังสีเอกซ์ของวิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน (Wilhelm Conrad Roentgen) ซึ่งการค้นพบรังสีเอกซ์นี้เองก็ทำให้เขาเป็นคนแรกที่ได้รับรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ในปี 1901"

•   รังสีเอกซ์คืออะไร

รังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งเช่นเดียวกับคลื่นไมโครเวฟ อินฟราเรด แสงขาว อัลตราไวโอเลต และรังสีแกมมา โดยรังสีเอกซ์เป็นรังสีที่มีพลังงานสูง มีสมบัติบางประการเหมือนคลื่น และสมบัติบางประการเหมือนอนุภาค มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 0.01-10 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นที่อยู่ระหว่างรังสีอัลตราไวโอเลตกับรังสีแกมมา และมีความถี่อยู่ในช่วง 3x1016 ถึง 3x1019Hz  ในเบื้องต้นมีการใช้รังสีเอกซ์สำหรับถ่ายภาพเพื่อการวินิจฉัยโรค และงานผลึกศาสตร์ (crystallography) รังสีเอกซ์เป็นการแผ่รังสีแบบแตกตัวเป็นไอออน และมีอันตรายต่อมนุษย์ รังสีเอกซ์ค้นพบโดยวิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน เมื่อ ค.ศ. 1895

ทฤษฎีอิเล็กตรอนสมัยปัจจุบัน อธิบายถึงการเกิดรังสีเอกซ์ว่า ธาตุประกอบด้วยอะตอมจำนวนมากในอะตอมแต่ละตัวมีนิวเคลียสเป็นใจกลาง และมีอิเล็กตรอนวิ่งวนเป็นชั้น ๆ ธาตุเบาจะมีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่น้อยชั้น และธาตุหนักจะมีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่หลายชั้น เมื่ออะตอมธาตุหนักถูกยิงด้วยกระแสอิเล็กตรอน จะทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นในถูกชนกระเด็นออกมาวิ่งวนอยู่รอบนอกซึ่งมีภาวะไม่เสถียรและจะหลุดตกไปวิ่งวนอยู่ชั้นในอีก พร้อมกับปล่อยพลังงานออกในรูปรังสี ถ้าอิเล็กตรอนที่ยิงเข้าไปมีพลังงานมาก ก็จะเข้าไปชนอิเล็กตรอนในชั้นลึก ๆ ทำให้ได้รังสีที่มีพลังงานมาก เรียกว่า ฮาร์ดเอกซเรย์ (hard x-ray) ถ้าอิเล็กตรอนที่ใช้ยิงมีพลังงานน้อยเข้าไปได้ไม่ลึกนัก จะให้รังสีที่เรียกว่า ซอฟต์เอกซเรย์ (soft x-ray)

• กระบวนการเกิดหรือการผลิตรังสีเอกซ์ทั้งโดยฝีมือมนุษย์และในธรรมชาติ มีอยู่ 2 วิธีใหญ่ ๆ 

1. คือเป็นวิธีผลิตรังสีเอกซ์โดยการยิงลำอนุภาคอิเล็กตรอนใส่แผ่นโลหะ เช่น ทังสเตน อิเล็กตรอน ที่เป็นกระสุนจะวิงไปชนอิเล็กตรอนของอะตอมโลหะที่เป็นเป้า ทำให้อิเล็กตรอนที่ถูกชนเปลี่ยนตำแหน่ง การโคจรรอบนิวเคลียส เกิดตำแหน่งที่ว่างของอิเล็กตรอนในวงโคจรรอบนิวเคลียสเดิม อิเล็กตรอนตัวอื่นที่ อยู่ในตำแหน่งวงโคจรมีพลังงานสูงกว่า จะกระโดดเข้าไปแทนที่ของอิเล็กตรอนเดิมแล้วปล่อยพลังงานออก มาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือ รังสีเอกซ์
2. เครื่องฉายรังสีเอกซ์ที่ใช้งานกันทั่วไปในโรงพยาบาลและในโรงงานอุตสาหกรรม ล้วนเป็นเครื่องผลิต รังสีเอกซ์จากวิธีการนี้เป็นวิธีผลิต หรือ กำเนิดรังสีเอกซ์จากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เช่น อิเล็กตรอน โปรตอนหรืออะตอม อย่างมีความเร่ง คือ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงขึ้นแล้วก็เป็น ธรรมชาติของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้เอง ที่ต้องปล่อยพลังงานออกมาในรูปของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างที่ไม่มีอะไรไปห้ามได้ ซึ่งถ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปล่อยออกมามีความถี่สูงพอก็จะเป็นรังสีเอกซ์ 

กำเนิดรังสีเอกซ์วิธีนี้เป็นวิธีที่นักวิทยาศาสตร์ที่นิยมใช้ในการผลิตรังสีเอกซ์ในห้องทดลองวิทยาศาสตร์

• ประเภทรังสีเอกซ์

1. รังสีเอกซ์ที่มีสเปกตรัมแบบต่อเนื่อง
เป็นรังสีเอกซ์ที่ได้มาจากเครื่องกำเนิดรังสีเอกซ์โดยการเร่งให้อนุภาคมีประจุวิ่งเข้าชนเป้าโลหะ เช่นอิเล็กตรอนให้มีความเร็วสูงวิ่งเข้าชนเป้า โลหะ เมื่ออิเล็กตรอนสูญเสียความเร็วก็จะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะของสเปกตรัมแบบต่อเนื่อง หรือที่เรียกว่า เบรมส์ชตราลุง (Bremsstrahlung)

2. รังสีเอกซ์ที่มีสเปกตรัมแบบเฉพาะตัว หรือรังสีเอกซ์เฉพาะตัว
เป็นรังสีเอกซ์ที่ได้มาจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีซึ่งเป็นการกระตุ้นโดยอาศัยพลังงานจากภายในอะตอม โดยเกิดการเปลี่ยนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนจากชั้นพลังงานสูงกว่ามายังชั้นพลังงานตำกว่า การ เปลี่ยนชั้นพลังงานนี้ จะปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสีเอกซ์เฉพาะตัว (Characteristic x-rays) นอกจากนั้นยังมีการเกิดรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะของสเปกตรัมแบบเฉพาะตัวจากการกระตุ้น โดยอาศัยพลังงานจากภายนอกอะตอม ซึ่งสามารถเกิดรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะของสเปกตรัมแบบเฉพาะตัว ตามชนิดของเป้าโลหะที่ใช้ลดความเร็วของอิเล็กตรอนในเครื่องกำเนิดรังสีเอกซ์
2.1 การกระตุ้นโดยพลังงานจากการเปลี่ยนแปลงภายในอะตอม
การกระตุ้นแบบนี้ เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงภายในอะตอม ซึ่งอะตอมในกลุ่มนี้จะเป็นอะตอมของธาตุกัมมันตรังสี ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นตลอดเวลาโดยธรรมชาติ การเปลี่ยนแปลงนี้ เป็นการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์
❤การเกิดรังสีเอกซ์เฉพาะตัวจากการชนของรังสีแกมมาภายในอะตอม
เกิดจากการที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่อยู่ในสภาวะกระตุ้นปล่อยพลังงานออกมาเพื่ออยู่ในสภาวะพื้น โดยพลังงานที่ปล่อยออกมาจะอยู่ในรูปของรังสีแกมมา ซึ่งเมื่อรังสีแกมมาออกมาจากนิวเคลียสจะ มีโอกาสชน และถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส จนเมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานมากพอจนหลุดจากอะตอมจะเกิดที่ว่างภายในอะตอม อิเล็กตรอนที่อยู่ในชั้นพลังงานสูงกว่าจะเคลื่อนที่ลงมาแทนที่และปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีเอกซ์

❤การเกิดรังสีเอกซ์เฉพาะตัวจากการชนของอนุภาคเบต้าภายในอะตอม
นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีจะสลายตัวโดยให้อนุภาคเบต้าออกจากนิวเคลียส เมื่ออนุภาคเบต้าออกจากนิวเคลียสมีโอกาสที่จะชน และถ่ายเทพลังงานให้อิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบอะตอม เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานมากพอ ทำให้หลุดออกจากอะตอม อิเล็กตรอนในชั้นโคจรที่มีพลังงานสูงกว่าจะเคลื่อนที่ลงมาแทนที่พร้อมทั้งปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสีเอกซ์

❤การเกิดรังสีเอกซ์เฉพาะตัวจากการจับอิเล็กตรอน (Electron capture)
อิเล็กตรอนที่โคจรอยู่ชั้นในใกล้นิวเคลียสจะถูกจับหรือดึงดูดเข้าสู่นิวเคลียส ทำให้เกิดที่ว่างขึ้น ซึ่งอิเล็กตรอนในชั้นพลังงานสูงกว่าจะเข้ามาแทนที่แล้วปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีเอกซ์

2.2 การกระตุ้นโดยอาศัยพลังงานจากภายนอกอะตอม
พลังงานจากภายนอกอะตอมอาจอยู่ในรูปของอนุภาคที่มีพลังงานสูงหรือโฟตอน (Photon) เมื่ออนุภาคพลังงานสูงหรือโฟตอนผ่านเข้าไปในอะตอมของธาตุ มีโอกาสที่จะชน และถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอนในอะตอม เมื่อพลังงานที่ถ่ายเทให้สูงมากพอจนอิเล็กตรอนหลุด จากอะตอม ทำให้เกิดที่ว่างขึ้น อิเล็กตรอนในชั้นระดับพลังงานที่มากกว่าจะเคลื่อนที่ลงมาแทนที่ในชั้นระดับพลังงานที่ต่ำกว่า พร้อมทั้งปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีเอกซ์เฉพาะตัว

สังเกตได้ว่ารังสีเอกซ์เฉพาะตัวที่ได้จากการกระตุ้นโดยอาศัยพลังงานภายนอกอะตอม และการสลายตัวแบบการเปลี่ยนแปลงภายในจะได้รังสีเอกซ์เฉพาะตัวของธาตุเดิม แต่รังสีเอกซ์ที่ได้จากการสลายตัวโดยการชนของอนุภาคเบต้า และการสลายตัวแบบจับอิเล็กตรอนจะเป็นรังสีเอกซ์เฉพาะตัวของธาตุใหม่ เนื่องจากเป็นการสลายตัวที่มีการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส

• ประโยชน์ของรังสีเอกซ์

1.ทางการแพทย์

ตั้งแต่การค้นพบของ Roentgen ว่ารังสีเอกซ์สามารถบอกรูปร่างของกระดูกได้ รังสีเอกซ์ได้ถูกพัฒนาเพื่อนำมาใช้ในการถ่ายภาพในการแพทย์ นำไปสู่สาขาที่เรียกว่า รังสีวิทยา โดยนักรังสีวิทยาได้ใช้ ภาพถ่าย (radiography) ที่ได้มาใช้ในการช่วยการวินิจฉัยโรคนั่นเอง รังสีเอกซ์มักถูกนำมาใช้ในการตรวจหาสภาพทางพยาธิวิทยาของกระดูก แต่ก็สามารถหาความผิดปกติของบางโรคที่เป็นที่เนื้อเยื่อทั่วไปได้ ตัวอย่างที่พบเห็นได้ทั่วไปเช่นการเอกซเรย์ปอด ซึ่งสามารถบอกถึงความผิดปกติได้หลายโรค เช่น โรคปอดบวม (pneumonia) โรคมะเร็งปอด (lung cancer) หรือน้ำท่วมปอด (pulmonary edema) รวมถึงการเอกซเรย์ช่องท้อง เช่นการตรวจภาวะอุดตันในลำไส้เล็ก (ileus) ภาวะลมหรือของเหลวคั่งในช่องท้อง ในบางครั้งยังใช้ในการตรวจหานิ่วในถุงน้ำดี หรือนิ่วในกระเพาะปัสสาวะได้ รวมทั้งในบางกรณีสามารถใช้ในการถ่ายภาพเนื้อเยื่อบางชนิด เช่น สมองและกล้ามเนื้อได้ แต่นับแต่ในปี 2005 รังสีเอกซ์ถูกขึ้นบัญชีในรัฐบาลสหรัฐอเมริกาว่า เป็นสารก่อมะเร็ง การถ่ายภาพเนื้อเยื่อส่วนใหญ่จึงถูกพัฒนาโดยใช้เทคนิด CAT หรือ CT scanning (computed axial tomography) หรือใช้เทคนิค MRI (magnetic resonance imaging) หรือ ultrasound ทดแทน ปัจจุบัน การรักษาโรคมะเร็งส่วนใหญ่ได้มีการนำรังสีมาช่วยในการรักษาโรค (radiotherapy) และได้มีการรักษาพยาธิสภาพต่าง ๆ เช่น การรักษาแบบ real-time ในการผ่าตัดถุงน้ำดี การขยายหลอดเลือด (angioplasty) หรือการกลืนสาร barium enema เพื่อตรวจสภาพลำไส้เล็กและลำไส้ใหญ่ โดยการใช้ fluoroscopy , การตรวจหามะเร็งปอด นิ่วในไต การถ่ายภาพโครงสร้างกระดูกและฟัน ตลอดจนนำมาใช้ในการรักษา ซึ่งเกิดจากการที่ Emil Grubbe จาก Hahnemann Medical College สังเกตว่า ผิวหนังที่มือของเขาหลุดลอกหลังจากวางมือบนเครื่องผลิตรังสีเอกซ์ เขาจึงแนะนำให้ทดลองใช้รังสีเอกซ์กับผู้ป่วยมะเร็งเต้านมที่หมดหวังในการรักษาแล้ว และผลปรากฏว่ามะเร็งของเธอหดเล็กลงและดูเหมือนอาการจะดีขึ้น การรักษาด้วยรังสีเอกซ์จึงถือกำเนิดขึ้น นอกจากนี้ยังมีการใช้ประโยชน์จากรังสีเอกซ์อีกมากมายอย่างการถ่ายภาพรังสีอุตสาหกรรม การรักษาความปลอดภัยสนามบิน การสร้างสรรค์งานศิลปะ การถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ 

2.ทางด้านดาราศาสตร์
– ใช้เพื่อถ่ายภาพดาราจักรที่ตามนุษย์มองไม่เห็น

3.ทางด้านความมั่นคง และอากาศยาน
– ใช้ถ่ายภาพเพื่อค้นหาวัตถุอันตราย วัตถุระเบิด ซึ่งใช้มากในสนามบินสำหรับตรวจสัมภาระของผู้โดยสาร

4.ทางด้านอุตสาหกรรม
– ใช้ตรวจหาความหนาแน่นของวัตถุหรือโลหะ
– ใช้ตรวจหารอยร้าวหรือรอยรั่วของชิ้นงาน
– รังสีเอกซ์พลังงานต่ำที่มีความยาวคลื่นในช่วง 0.13-0.41 nm และให้พลังงานประมาณ 3.5-9 KeV ถูกนำมาใช้ในการแยกสารอินทรีย์ระเหย (Volatile Organic Compound) ออกจากไนโตรเจน โดยที่สารอินทรีย์ระเหยมีค่าพลังงานไอออไนเซชัน 8.82 eV และไนโตรเจนมีค่าพลังงานไอออไนเซชัน 15.58 eV ซึ่งมีประสิทธิภาพในการแยกสารอินทรีย์ระเหยออกจากไนโตรเจนร้อยละ 43 ที่ความเข้มข้นสารอินทรีย์ระเหย 2 มิลลิกรัม/ลูกบาศก์เมตร และความต่างศักย์ไฟฟ้า 600 V ในอัตราการไหล 1 ลิตร/นาที นอกจากนั้น ยังได้มีการนำรังสีเอกซ์พลังงานต่ำมาใช้ในการแยกคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากฮีเลียม โดยคาร์บอนไดออกไซด์มีค่าพลังงานไอออไนเซชัน 13.78 eV และฮีเลียมมีค่าพลังงานไอออไนเซชัน 24.587 eV ซึ่งมีประสิทธิภาพในการแยกคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากฮีเลียมร้อยละ 14 ที่ความเข้มข้นคาร์บอนไดออกไซด์ 4.7 มิลลิกรัม/ลูกบาศก์เมตร และความต่างศักย์ไฟฟ้า 600 V ในอัตราการไหล 1 ลิตร/นาที อีกทั้งได้มีการนำรังสีเอกซ์พลังงานต่ำมาใช้ในการสลายโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (Polycyclic aromatic hydrocarbon) เมื่อโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนผ่านรังสีเอกซ์พลังงานต่ำเป็นเวลา 0.022-0.067 วินาที ทำให้โพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนมีการสลายร้อยละ 30 ที่อัตราการไหล 90 ลิตร/นาที

• คุณสมบัติรังสีเอกซ์

1. เป็นรังสีประเภทคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่นเดียวกับรังสีแกมมา แต่มีช่วงความยาวคลื่นต่ำกว่า คือ ประมาณ 0.01 – 100 Å (อังสตรอม)
2. มีคุณสมบัติเหมือนกับแสงสว่างธรรมดา มีความเร็วการเดินทางในสุญญากาศเท่ากับความเร็วแสง คือ 3.8×108m/s นอกจากนี้ ยังมีคุณสมบัติการสะท้อน การหักเห และเบี่ยงเบน เหมือนกับแสงสว่างธรรมดา
3. เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง และไม่ถูกทำให้เบี่ยงเบนโดยสนามแม่เหล็ก และไฟฟ้า
4. ทำให้วัตถุบางอย่างเรืองแสงได้ ซึ่งวัตถุจะต้องมีสารบางอย่างที่ทำให้เรืองแสงได้
5. เป็นรังสีก่อไอออน เมื่อผ่านในตัวกลางที่เป็นอากาศหรือก๊าซ
6. ทำให้เกิดรอยดำบนแผ่นฟิล์มถ่ายรูปได้ เช่นเดียวกับแสงสว่าง
7. ทะลุทะลวงผ่านวัตถุต่าง ๆ ได้ดี สามารถทะลุผ่านเนื้อเยื่อมนุษย์ และสัตว์ พลาสติก เสื้อผ้า แต่ไม่สามารถผ่านโลหะตะกั่วหรือคอนกรีตหนาๆได้
8. ถูกดูดกลืนโดยวัตถุที่มีเลขเชิงมวลสูง
9. มีสมบัติเช่นเดียวกับแสง เช่น การสะท้อน (reflection) การหักเห (refraction) การเลี้ยวเบน (diffraction)
10. ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสารชีวเคมีในสิ่งมีชีวิต เช่น เซลล์ของร่างกายถูกทำลาย หรือเกิดการกลายพันธุ์ (Mutation) ถ้าได้รับรังสีเป็นจำนวนมาก และเป็นเวลานาน

ซึ่งเหล่านี้ เป็นคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่มีคุณสมบัติอื่นที่ไม่สามารถใช้คุณสมบัติของคลื่นอธิบายได้ เช่น การเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานในอะตอมหรือโมเลกุล โดยความแตกต่างเฉพาะชั้นพลังงานมีค่าเฉพาะค่าหนึ่ง ซึ่งรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนี้ได้จะต้องมีพลังงานเท่ากับค่านี้ หรือมากกว่า คุณสมบัตินี้ จึงทำให้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าถูกมองเป็นอนุภาค

ในแง่ของอนุภาค รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะต้องมีพลังงานกำกับไปด้วยค่าหนึ่งเสมอ โดยสมการที่รวมคุณสมบัติของความเป็นคลื่น และอนุภาคเข้าไว้ด้วยกัน และสามารถคำนวณเพื่อเปลี่ยนค่าเฉพาะของคุณสมบัติแต่ละประเภทไปมาได้แสดงในสมการด้านล่าง

E = hv = hc/λ = 12.396/λ

E = พลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (J)

h = ค่าคงที่ของพลังค์ 6.626×10-34 (J∙s)
c = ความเร็วแสง 2.997×108 (m/s)
λ = ความยาวคลื่น (m)

• โทษของรังสีเอ็กซ์

1. - เมื่อร่างกายรับเข้าไปมากจะทำให้เซลล์ตาย หรือเสื่อมคุณภาพ
2. - อาจทำให้เกิดโรคมะเร็งได้
3. - อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในยีนมีผลต่อกรรมพันธ์