ฟิสิกส์เบื้องต้นของรังสีเอกซ์ (1)

ความรู้เบื้องต้นทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์ อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน โดยนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน โดยมีอิเล็กตรอนโคจรรอบ ๆ นิวเคลียส อิเล็กตรอนมีระดับพลังงานต่าง ๆ กันเรียกว่าเชลล์ (shell) และแต่ละระดับสามารถมีจำนวนอิเล็กตรอนได้จำกัด โดยชั้นในสุด (K-shell) อยู่ใกล้กับนิวเคลียสสามารถมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 2 อนุภาค ชั้นที่สอง (L-shell) สามารถมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 8 อนุภาค ชั้นที่สาม (M-shell) สามารถมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 18 อนุภาคและชั้นที่สี่ (N-shell) สามารถมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 32 อนุภาค เป็นต้น จากรูปที่ 1 แสดงตัวอย่างอะตอมของทองแดงซึ่งประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนจำนวนอย่างละ 29 อนุภาคโดยอิเล็กตรอนจะอยู่ในชั้นพลังงานต่าง ๆ กัน

เมื่อโฟตอน อิเล็กตรอน หรือไอออนหนักที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงตกกระทบโลหะทำให้เกิดรังสีเอกซ์ (รูปที่ 2) รังสีเอกซ์นั้นไม่ได้มีต้นกำเนิดจากนิวเคลียสของอะตอมแต่เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้น การเกิดในลักษณะนี้มีชื่อเรียกว่ารังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ (characteristic x-rays) ปรากฏการณ์นี้พบโดย Charles G. Barkla และ C.A. Sadler เมื่อปี ค.ศ. 1909 เกิดจากการทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไป และอิเล็กตรอนจากชั้นนอกเข้ามาแทนที่ แล้วถ่ายเทพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสีเอกซ์ ยกตัวอย่างเช่น ทังสเตนจะมีพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) ของอิเล็กตรอนชั้น K และ L เท่ากับ 69.5 KeV และ 12.1 KeV ตามลำดับ ดังนั้นรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะที่ได้จะมีพลังงาน: 69.5 – 12.1 = 57.4 KeV เป็นต้น โดยพลังงานที่ตกกระทบส่วนใหญ่ จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน และโอกาสในการเกิดรังสีเอกซ์มีเพียง 0.1 % เท่านั้น

จากรูปที่ 3. สามารถเห็นพีคจำนวนสองพีคโดย Ka เกิดจากการทำให้อิเล็กตรอนชั้น K หลุดออกไปแล้วอิเล็กตรอนจากชั้น L เข้ามาแทนที่ ส่วน Kb เกิดจากการทำให้อิเล็กตรอนชั้น K หลุดออกไปและอิเล็กตรอนจากชั้น M เข้ามาแทนที่ พอสรุปได้ว่ารังสีเอกซ์ ลักษณะเฉพาะนั้นเกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจากชั้นนอกของอะตอมเข้ามาสู่ชั้นในเรียกว่า “K-shell fluorescence” ส่วนการเกิดที่ชั้น L เรียกว่า “L-shell fluorescence” เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของแต่ละธาตุแตกต่างกันดังนั้นพลังงานรังสีเอกซ์ที่ได้จึงแตกต่างกัน เราจึงเรียกรังสีเอกซ์ชนิดนี้ว่ารังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ (Characteristic X-ray) เพราะขึ้นอยู่กับชนิดของธาตุที่เป็นเป้า พลังงานของรังสีเอกซ์จะเพิ่มขึ้นเมื่อเลขเชิงอะตอม (atomic number: Z) ของธาตุเพิ่มขึ้นฉะนั้นจึงเหมาะที่จะนำมาใช้วิเคราะห์ผลึกธาตุโดยเทคนิคนี้เรียกว่าการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction) และวิเคราะห์ธาตุประกอบแบบเชิงคุณภาพ และปริมาณ โดยการเกิดการปล่อยรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ เรียกว่า การเรืองรังสีเอกซ์ (X-ray fluorescence หรือ XRF) รูปที่ 4 เป็นตัวอย่างสเปกตรัมที่ได้จากการวิเคราะห์ด้วยการเรืองรังสีเอกซ์

1. www.hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/xrayc.html
2. www.ndt-ed.org/EducationResources/HighSchool/Electricity/atommodels.htm
3. Frank H.Attix, Inrtoduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry, USA, 1986