Section 16.5

Section 16.5

X-rays

16.5

X-rays In 1895, Wilhelm Conrad Roentgen announced his discovery of X-rays. He had found that when high-energy electrons hit a material such as glass, the material emitted radiation that penetrated objects which are opaque to light.

He called this radiation X-rays. It was shown subsequently that X-rays are short-wavelength, electromagnetic radiation emitted by highly excited atoms.

Roentgen showed that X-rays could expose film and produce images of objects in opaque containers. Such pictures are possible if the container transmits

X-rays more readily than the object inside. A film exposed by the X-rays shows the shadow cast by the object.

Within three weeks of Roentgen’s announcement, two French physicians, Oudin and Barth´elemy, obtained X-rays of bones in a hand. Since then, X-rays have become one of the most important diagnostic tools in medicine.

With current techniques, it is even possible to view internal body organs that are quite transparent to X-rays. This is done by injecting into the organ a fluid opaque to X-rays. The walls of the organ then show up clearly by contrast.

X-rays have also provided valuable information about the structure of biologically important molecules. The technique used here is called crystallography. The wavelength of X-rays is on the order of 10−10 m, about the same as the distance between atoms in a molecule or crystal. Therefore, if a beam of X-rays is passed through a crystal, the transmitted rays produce a diffraction pattern that contains information about the structure and composition of the crystal. The diffraction pattern consists of regions of high and low X-ray intensity which when photographed show spots of varying brightness (Fig. 16.8).

FIGURE 16.8  Arrangement for detecting diffraction of X-rays by a crystal.



Chapter 16

Atomic Physics

Diffraction studies are most successfully done with molecules that can be formed into a regular periodic crystalline array. Many biological molecules can in fact be crystallized under the proper conditions. It should be noted, however, that the diffraction pattern is not a unique, unambiguous picture of the molecules in the crystal. The pattern is a mapping of the collective effect of the arrayed molecules on the X-rays that pass through the crystal. The structure of the individual molecule must be deduced from the indirect evidence provided by the diffraction pattern.

If the crystal has a simple structure—such as sodium chloride, for example—the X-ray diffraction pattern is also simple and relatively easy to interpret. Complicated crystals, however, such as those synthesized from organic molecules, produce very complex diffraction patterns. But, even in this case, it is possible to obtain some information about the structure of the molecules forming the crystal (for details, see [16-1]). To resolve the threedimensional features of the molecules, diffraction patterns must be formed from thousands of different angles. The patterns are then analyzed, with the aid of a computer. These types of studies provided critical information for the determination of the structure for penicillin, vitamin B12, DNA, and many other biologically important molecules.

16.6

X-ray Computerized Tomography The usual X-ray picture does not provide depth information. The image represents the total attenuation as the X-ray beam passes through the object in its path. For example, a conventional X-ray of the lung may reveal the existence of a tumor, but it will not show how deep in the lung the tumor is located. Several tomographic techniques (CT scans) have been developed to produce slice-images within the body which provide depth information.

(Tomography is from the Greek word tomos meaning section.) Presently the most commonly used of these is X-ray computerized tomography (CT scan) developed in the 1960s. The basic principle of the technique in its simplest form is illustrated in Fig. 16.9a and b. A thin beam of X-rays passes through the plane we want to visualize and is detected by a diametrically opposing detector. For a given angle with respect to the object (in this case the head), the X-ray source-detector combination is moved laterally scanning the region of interest as shown by the arrow in Fig. 16.9a. At each position, the detected signal carries integrated information about X-ray transmission properties of the full path in this case A−B. The angle is then changed by a small amount (about 1◦) and the process is repeated full circle around the object. As indicated in Fig. 16.9b, by rotating the source-detector combination, information can be obtained about the intersection points of the X-ray beams.



Section 16.6

X-ray Computerized TomographyFIGURE 16.9  (a) Basic principle of computed axial tomography. (b) Rotation of the source-detector combination provides information about the X-ray transmission properties of each point within the plane of the object to be studied.

In Fig. 16.9b, we show schematically the scanning beam at two angles with two lateral positions at each angle. While at each position, the detected signal carries integrated information about the full path, two paths that intersect contain common information about the one point of intersection. In the figure, four such points are shown at the intersection of the beams A−B, A  − B ,
C−D, and C −D . The multiple images obtained by translation and rotation contain information about the X-ray transmission properties of each point within the plane of the object to be studied. These signals are stored and by a rather complex computer analysis a point by point image is constructed of the thin slice scanned within the body.

The visualized slices within the body obtained in this way are typically about 2 mm thick. In the more recent versions of the instrument, a fan rather than a beam of X-rays scans the object, and an array of multiple detectors is used to record the signal. Data acquisition is speeded up in this way yielding an image in a few seconds.



Chapter 16

Atomic Physics

16.7

Lasers

As was pointed out in Section 16.1, when light at the frequency corresponding to the transition between two energy levels of atoms (or molecules) is passed through a collection of these atoms, photons are absorbed from the light beam by atoms in the lower energy level raising them to the higher (excited) level.

Atoms in an excited level can return to the lower state by emitting a photon at the corresponding resonance frequency (see Eq. 16.1). This type of emission is called spontaneous emission. However, atoms in an excited state can emit photons also in another way.

In 1916, Albert Einstein analyzed the interaction of electromagnetic radi ation with matter using quantum mechanics and equilibrium considerations.

His results showed that while light interacting with atoms in a lower energy state is absorbed, there is a parallel interaction of light with atoms in the excited energy state. The light at the resonance frequency interacts with the excited atoms by stimulating them to make a transition back into the lower energy state. In the process, each stimulated atom emits a photon at the resonance frequency and in phase with the stimulating light. This type of light emission is called stimulated emission.

In a collection of atoms or molecules under equilibrium conditions, more atoms are in a lower energy state than in a higher one. When a beam of light at resonance frequency passes through a collection of atoms in equilibrium, more photons are taken out of the beam by absorption than are added to it by stimulated emission and the light beam is attenuated. However, through a variety of techniques it is possible to reverse the normal situation and cause more atoms to occupy a higher than a lower energy state. A collection of atoms, with more atoms occupying the higher state, is said to have an inverted
population distribution. When light at resonance frequency passes through atoms with inverted population distribution, more photons are added to the beam by stimulated emission than are taken out of the beam by absorption.

As a result the intensity of the light beam increases. In other words, the light is amplified. A medium with an inverted population can be made into a special type of light source called a laser (light amplification by stimulated emission of radiation) (see Exercises 16-3 and 16-4).

Light emitted by a laser has some unique properties. It can be formed into a highly parallel beam that can be subsequently focused into a very small area, typically on the order of the wavelength of light. In this way a large amount of energy can be delivered into a small region with high degree of positional precision. Further, the light emitted by a laser is monochromatic (single color) with the wavelength determined by the amplifying medium.

The first laser was built in 1960. Since then many different types of laser have been developed, operating over a wide range of energies and wavelengths covering the full spectrum from infrared to ultraviolet. Some lasers