क्ष-किरण : हे भेदनक्षम व अदृश्य विद्युत् चुंबकीय प्रारण (तरंगरूपी ऊर्जा) आहे. या विद्युत् चुंबकीय तरंगांच्या तरंगलांबीचा पल्ला सु. ०.००६ ते १,००० Å (Å = अँगस्ट्रॉम = १०–१० मी.) किंवा सु. ६ पामी. ते १०० नॅमी. (पामी. = पायकोमीटर = १०–१२ मी. व नॅमी. = नॅनोमीटर = १०–९ मी.) आहे आणि संशोधनात वापरल्या जाणाऱ्या क्ष-किरणांची सरासरी तरंगलांबी सु. १ अँगस्ट्रॉम असते. इलेक्ट्रॉन उच्च वेगाला प्रवेगित करून ते द्रव्यावर आदळवून अचानकपणे थांबविल्याने अथवा अणुक्रमांक (अणुकेंद्रातील प्रोटॉनांची संख्या) १० पेक्षा जास्त असलेल्या अणूंच्या अंतर्गत-कवच संक्रमणांद्वारे बहुधा क्ष-किरण निर्माण होतात. अशा प्रकारे जलदपणे जाणारे इलेक्ट्रॉन गती मंद होऊन द्रव्यात थांबतात, तेव्हा अणूच्या अंतर्गत-कवचातील रिकामी जागा दुसऱ्या इलेक्ट्रॉनाने भरली जाते आणि तेव्हा ते सापेक्षीय ( प्रकाशाच्या गतीच्या जवळपासच्या) गतींनी आपली अवकाशातील हालचालीची दिशा बदलतात. राँटगेन किरण किंवा क्ष-प्रारण ही क्ष-किरणांची पर्यायी नावे आहेत. क्ष-किरण वर्णपटविज्ञानाच्या अभ्यासा-साठी छायाचित्रण अनुस्फुरण (वस्तूवर एखाद्या स्वरूपातील ऊर्जा प्रवाहित झाल्याने तीमधून विद्युत् चुंबकीय प्रारण बाहेर पडण्याची आणि ऊर्जा प्रवाह बंद झाल्यावर थांबणारी क्रिया) व आयनीभवन (विद्युत् भारित अणू, रेणू वा अणुगट यांमध्ये रूपांतर होणे) हे आविष्कार वापरतात.
क्ष-किरण हे ऊर्जांचे एक सर्वाधिक उपयुक्त रूप आहे. त्यांचे प्रमुख उपयोग वैद्यकात होतात. कारण ते मांसातून पलीकडे जाऊ शकतात व त्वचेखालील बाबींच्या छायाचित्रीय प्रतिमा निर्माण करू शकतात. विज्ञानातही क्ष-किरणांचे अनेक उपयोग होतात. उदा., द्रव्यांची अंतर्गत संरचना अभ्यासणारे संशोधक स्फटिकांमधील अणूंची मांडणी निश्चित करण्यासाठी क्ष-किरण वापरतात तारे व अन्य खस्थ पदार्थ यांच्यामार्फत निर्माण होणाऱ्या क्ष-किरणांचा अभ्यास करतात. त्यावरून संशोधकांना खस्थ पदार्थांच्या संरचना व तापमान यांची माहिती मिळते.
क्ष-किरण हे विद्युत् चुंबकीय तरंग असून ते प्रकाशासारखेच आहेत, परंतु त्यांची तरंगलांबी कमी (उच्चतर फोटॉन ऊर्जा) आहे. अशा प्रकारे गॅमा किरण, क्ष-किरण, जंबुपार प्रारण, दृश्य प्रकाश, अवरक्त प्रारण, सूक्ष्मतरंग व रेडिओ तरंग हे सर्व भिन्न तरंगलांबींचे (ऊर्जांचे) वर्णपटीय प्रदेशांतील विद्युत् चुंबकीय प्रारण आहे. तरंगलांबी ऊर्जेशी निगडित असून कमी तरंगलांबी म्हणजे अधिक ऊर्जा होय. अशा रीतीने दृश्य प्रकाशापेक्षा क्ष-किरणांची तरंगलांबी कमी, पण ऊर्जा अधिक असते.
संशोधन : क्ष-किरणांचा शोध ⇨ व्हिल्हेल्म कोनराट राँटगेन यांनी १८९५ मध्ये लावला व हा अपघाताने लागलेला शोध आहे. ते आपल्या प्रयोगशाळेत वायुविसर्जनांचा अभ्यास करीत होते. तेव्हा त्यांना विशिष्ट द्रव्यांमध्ये वायुविसर्जनामधून येणाऱ्या एका अज्ञात प्रारणामुळे अनुस्फुरण उत्पन्न होऊ शकते, ही गोष्ट आढळली. आपल्या पहिल्या निवेदनात त्यांनी क्ष-किरणांच्या गुणधर्मांचे वर्णन पुढीलप्रमाणे केले होते : हे किरण अदृश्य व सरळ रेषेत जाणारे असून त्यांच्यावर विद्युतीय वा चुंबकीय क्षेत्रांचा परिणाम होत नसल्याने ते विद्युत् भारित नाहीत सर्व-साधारण प्रकाशाच्या दृष्टीने अपारदर्शक असलेल्या द्रव्यातून ते पलीकडे जातात (कारण त्यांनी वापरलेल्या ऋणकिरण नलिकेभोवतीच्या काळ्या पुठ्ठ्याला भेदून ते पलीकडे गेले) भिन्न घनतांच्या किंवा भिन्न अणुभारांच्या द्रव्यांत ते भिन्न प्रमाणात शोषले जातात त्यांचा छायाचित्रीय पटलावर वा पट्टीवर परिणाम होतो ज्याच्यात त्यांचा सुरुवातीचा शोध लागला त्या बेरियम प्लॅटिनोसायनाइड पटलासारख्या ठराविक रसायनां-मध्ये व काचेच्या नळीच्या ऋणाग्राच्या विरुद्ध बाजूच्या भित्तीमध्ये क्ष-किरणांमुळे अनुस्फुरण निर्माण झाले क्ष-किरणांमुळे वायूंमध्ये आयनीभवन उद्भवले त्यांनी वापरलेल्या निर्वात नलिकेतील ऋणाग्रापासून निघालेल्या किरणांच्या शलाकेमुळे धनाग्रापाशी क्ष-किरण निर्माण झाल्याचे उघड झाले. या शलाकेतील किरण म्हणजे इलेक्ट्रॉन असल्याचे ⇨ जोसेफ जॉन टॉमसन यांनी १८९७ मध्ये ओळखले होते.
क्ष-किरणांच्या वरील सर्व निश्चित गुणवैशिष्ट्यांबरोबर इतर निर्णायक प्रयोग करण्याची गरज होती आणि हे प्रयोग अशा प्रकारे करावयाचे होते की, त्यांद्वारे दृश्य प्रकाश व क्ष-किरण यांच्यातील साम्य किंवा भेद स्पष्टपणे प्रस्थापित होतील. दृश्य प्रकाशाचे मूलभूत प्रकाशकीय गुणधर्म १८९५ मध्ये चांगले प्रस्थापित झाले होते. उदा., आरशांकडून होणारे परावर्तन लोलकांतून होणारे प्रणमन (हवेतून काचेमध्ये शिरताना त्याच्या दिशेत होणारा बदल) याद्वारे पांढऱ्या प्रकाश शलाकेचे इंद्रधनुषी किंवा रंगांच्या वर्णपटात होणारे परिवर्तन अरुंद फटी किंवा आखीव जालकाने होणारे विवर्तन (ही वर्णपटनिर्मितीची एक पद्धत आहे) आणि ध्रुवण म्हणजे प्रकाशतरंगाचे विद्युत् क्षेत्राने एका दिशेत बद्ध होणे. राँटगेन यांनी या चारही प्रकाशकीय आविष्कारांचे पुरावे क्ष-किरणांच्या बाबतीत शोधण्यासाठी सर्वतोपरी प्रयत्न केले. मात्र, त्यांना ते मिळू शकले नाहीत. त्यामुळे त्यांनी या किरणांकरिता अज्ञात गोष्टीसाठी वापरण्यात येणारे द (क्ष) हे वैज्ञानिक चिन्ह वापरून त्यांचे एक्स-रे (क्ष-किरण) असे नामकरण केले. क्ष-किरणांच्या उघडपणे एकमेवाद्वितीय अशा गुणधर्मांचे स्पष्टीकरण देणारे अनेक सिद्धांत सुचविण्यात आले. हे सिद्धांत अगदी एकसारखे वाटत असले, तरी ते दृश्य प्रकाशापेक्षा खूप भिन्न आहेत. [→ ध्रुवणमिति प्रकाशकी विद्युत् चुंबकीय तरंग].
इतर शास्त्रज्ञांना क्ष-किरणांचा अभ्यास करताना आवश्यक प्रायोगिक परिस्थिती लाभल्याने, क्ष-किरणांना प्रकाशासारखे गुणधर्म असल्याचे सिद्ध करता आले. उदा., ⇨ चार्ल्स ग्लव्हर बार्क्ला यांनी क्ष-किरणांचे ध्रुवण करता येते हे सिद्ध केले (१९०५), त्यासाठी त्यांनी क्ष-किरणांचे कार्बनापासून प्रकीर्णन (विखुरण्याची क्रिया) केले. ⇨ माक्स टेओडोर लौए, डब्ल्यू. फ्रीड्रिख व पी. निपिंग यांनी १९१२ मध्ये क्ष-किरणांचे स्फटिकांनी विवर्तन होते, हे दाखविले. १९२१-२२ मध्ये ⇨ आर्थर हॉली कॉम्पटन यांनी क्ष-किरण आरशांनी परावर्तित होतात लोलकांत व स्फटिकांत त्यांचे प्रणमन होते आणि आखीव जालकांनी त्यांचे विवर्तन होते, हे सिद्ध केले. हवेसारख्या कमी दाट माध्यमातून काचेचा लोलक वा स्फटिकासारख्या अधिक दाट माध्यमात त्याच दिशेत जाताना क्ष-किरणांचे प्रणमन होण्याऐवजी अगदी अल्प प्रमाणात विरुद्ध दिशेत विचलन होते (दृश्य प्रकाशाचा प्रणमनांक नेहमी १ पेक्षा जास्त असतो क्ष-किरणांच्या बाबतीत प्रणमनांक १०?६ इतक्या अल्प प्रमाणात– एकापेक्षा कमी – असतो) . जेव्हा क्ष-किरण शलाका अगदी कमी कोनात (आस्पर्श कोनाला) आरशावर पडते, तेव्हाच त्यातून होणारे पूर्ण वा समग्र परावर्तन दिसते. त्याचप्रमाणे विवर्तन दिसण्यासाठी क्ष-किरण शलाका आखीव जालकावर अगदी अल्प कोन करून पडली पाहिजे.
क्ष-किरण शलाकेचे प्रकीर्णन वर्णपटात करणे हे १८९५–१९१२ या काळात कोणत्याही विश्लेषकाला जमले नाही. १९१२ मध्ये लौए यांनी दाखविलेल्या झिंक सल्फाइड स्फटिकांतील देखण्या विवर्तन-–आकृतिबंधामुळे क्ष-किरणांचे विद्युत् चुंबकीय तरंगांचे स्वरूप तसेच स्फटिकांची नियमितसंरचना सिद्ध झाली. म्हणजे स्फटिकातील प्रतलांच्या कुलांवर असलेल्या अणूंमुळे त्रिमितीय विवर्तन जालक निर्माण झाले.
पुंजयामिकी : क्ष-किरण ( व दृश्य प्रकाश) विद्युत् चुंबकीय तरंग असल्याचे मानता येते. क्ष-किरण हे ऊर्जेचे खंडित पुंज आहेत, असेही मानता येते. हे म्हणणे विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीच्या काळात ⇨ माक्स प्लांक यांनी प्रथम स्पष्टपणे मांडलेल्या व ⇨ ॲल्बर्ट आइन्स्टाइन यांनी व्यापकरूप दिलेल्या नियमांनुसार आहे. विवर्तन, प्रणमन, ध्रुवण व व्यतिकरण या आविष्कारांमध्ये क्ष-किरणांसह सर्व विद्युत् चुंबकीय प्रारणाचे तरंगाप्रमाणे वर्तन होताना दिसते व तरंगलांबीला (ƛ) वास्तव अर्थ असतो. येथे द्वित्व असते. याचा अर्थ प्रकाश व क्ष-किरण या दोन्हींना तरंग व कण या दोन्हींचे गुणधर्म असतात. अर्थात दिलेल्या एखाद्या प्रयोगात एकाच वेळी दोन्ही गुणधर्म दिसत नाहीत. इलेक्ट्रॉन व न्यूट्रॉन यांच्या शलाकांनाही तरंगाचे गुणधर्म असतात आणि योग्य त्या माध्यमांत त्यांचे विवर्तन होते.
इतर आविष्कारांत ऊर्जा पुंजांच्या रूपात स्थानांतरित व प्रसारित होते. उदा., वर्णपटीय रेषा रेखीव वा सुस्पष्ट दिसण्याकरिता अखंड ‘पांढऱ्या’ वर्णपटाची एक विवक्षित (निश्चित) लघुतरंगलांबी मर्यादा ƛ०असावी लागते, तसेच अणूंतील इलेक्ट्रॉनांनी प्रकीर्णित केलेल्या क्ष-किरणांच्या तरंगलांबीत झालेली च्युती [→ कॉम्पटन परिणाम] आणि प्रकाशविद्युतीय परिणाम या आविष्कारातील ऊर्जा पुंजांना फोटॉन किंवा प्रकाशकण म्हणतात. [→ पुंजयामिकी].
खरे तर द्वित्व स्वरूप हा ऊर्जा व द्रव्य यांच्या सर्व रूपांचा सर्व-साधारण गुणधर्म आहे. क्ष-किरण व विद्युत् चुंबकीय प्रारणाची इतर रूपे यांचा कण व तरंग असा दोन्ही दृष्टींनी विचार केला पाहिजे. याचा अर्थही दोन्ही विद्युत् चुंबकीय तरंगांच्या लहान पुंजांची किंवा फोटॉनांची बनलेली आहेत.
गुणवैशिष्ट्ये : तरंगलांबी : क्ष-किरणांची तरंगलांबी गॅमा किरणां-पेक्षा जास्त आणि जंबुपार किरणांपेक्षा कमी असते. भिन्न क्षेत्रांत काम करणारे वैज्ञानिक तरंगलांबींचा पल्ला भिन्नभिन्न प्रकारे ठरवितात. तथापि सर्वसाधारणपणे क्ष-किरणांच्या तरंगलांबींचे पल्ले ०.१ – १० नॅमी. दरम्यान आहेत. तुलनेसाठी दृश्य प्रकाशाच्या तरंगलांबींचा पल्ला ४००– ७०० नॅमी. आहे. काही वैज्ञानिक ०.१ नॅमी.पेक्षा कमी तरंगलांबीच्या क्ष-किरणांना कठीण क्ष-किरण असे म्हणतात. कारण त्यांची भेदनक्षमता बरीच जास्त असते. यांपेक्षा अधिक तरंगलांबीच्या क्ष-किरणांना मृदू क्ष-किरण म्हणतात. आपल्या संशोधनकार्यात अनेक वैज्ञानिक क्ष-किरणांची तरंगलांबी अँगस्ट्रॉम या एककात देतात (१ अँगस्ट्रॉम ⇨ ०.१ नॅमी.).
भेदनक्षमता : क्ष-किरणांच्या ऊर्जेमुळे त्यांना भेदनक्षमता प्राप्त झालेली आहे. क्ष-किरणांची ऊर्जा फक्त गॅमा किरणांपेक्षा कमी असल्याने केवळ गॅमा किरणांची भेदनक्षमता क्ष-किरणांच्या भेदनक्षमतेपेक्षा जास्त आहे.
विद्युत् चुंबकीय प्रारणाचा कोणताही प्रकार (वा रूप) असो, द्रव्यात कोणाकडून तरी त्याची ऊर्जा शोषली जाते तोपर्यंत ते आत जाते वा घुसते. द्रव्यातील इलेक्ट्रॉन हे ऋण विद्युत् भारित कण क्ष-किरण शोषतात. अणूमध्ये अणुकेंद्राभोवती एक वा अनेक इलेक्ट्रॉन फिरत असतात. अणुकेंद्रात एक वा अधिक धन विद्युत् भारित प्रोटॉन कण असतात आणि जवळजवळ तेवढेच विद्युत् भाररहित न्यूट्रॉन कण असू शकतात. परिपूर्ण अणूमध्ये इलेक्ट्रॉनांची संख्या म्हणजे त्याचा अणुक्रमांक असून अणुकेंद्रात तेवढेच प्रोटॉन असतात. अशा प्रकारे हा अणू विद्युत् भाररहित असतो. ज्या मूलद्रव्यांच्या अणूंचे अणुक्रमांक उच्च असतात व त्यांत इलेक्ट्रॉनांची संख्या जास्त असते, ते अणू कमी अणुक्रमांकांच्या मूल-द्रव्यांपेक्षा अधिक क्ष-किरण शोषून घेतात.
शिसे (अक्र. ८२) इतर बहुतेक द्रव्यांपेक्षा अधिक क्ष-किरण शोषते. त्यामुळे क्ष-किरणांपासून रक्षण करण्यासाठी वापरण्यात येणारा परिरक्षक झगा तयार करण्यासाठी पुष्कळदा शिसे वापरतात. बेरिलियम (अक्र. ४) धातू थोडे क्ष-किरण शोषते. म्हणून क्ष-किरण नलिकांमधील लहान निर्गमद्वारांसाठी बेरिलियम वापरतात.
क्ष-किरण दूरदर्शकांत वापरण्यात येणाऱ्या आरशांच्या अभिकल्पावर क्ष-किरणांच्या भेदनक्षमतेचा परिणाम होतो. आरशाच्या पृष्ठभागावर त्याला जवळजवळ समांतर दिशेत पडणारे क्ष-किरणच तेवढे त्यावरून तीव्रपणे परावर्तित होतात. आरसा हे किरण लहान कोनात परावर्तित करतो वया कोनाला आस्पर्श पतन कोन म्हणतात. या कोनाला होणारे परावर्तनहे जलपृष्ठाला जवळजवळ समांतर दिशेत फेकलेल्या चपट्या दगडाच्या उड्या मारत पुढे जाण्याच्या मुलांच्या छप्पापाणी वा भाकऱ्या खेळणे या खेळासारखे आहे. आस्पर्श पतन कोनामार्फत परावर्तित होणाऱ्याक्ष-किरणांचे केंद्रीभवन होण्यासाठी आरशांचा अभिकल्प वक्र असतो. या आरशांमध्ये निमुळत्या नलिका एकीत दुसरी अशा असतात. क्ष-किरण नलिकांच्या अक्षाला जवळजवळ समांतर दिशेत आरशात प्रविष्ट होतात आणि नलिकांच्या आतील पृष्ठभागांवरून बाहेर परावर्तित होतात.
ज्या द्रव्यांत क्ष-किरण घुसतात त्या द्रव्यांत बदल होतो, याचे कारण त्यांची उच्च ऊर्जा हेच आहे. अणूमधील इलेक्ट्रॉन जेव्हा ऊर्जा शोषतो तेव्हा तो अणुकेंद्रापासून अधिक दूर असलेल्या कक्षेत जातो. जर इलेक्ट्रॉनाने पुरेशी ऊर्जा शोषली, तर तो प्रत्यक्षात अणूतून बाहेर पडतो. अणू जर परिपूर्ण असेल, म्हणजे त्यातील इलेक्ट्रॉनांची व प्रोटॉनांची संख्या एकच असेल, तेव्हा इलेक्ट्रॉन निघून जाऊन तो आयन म्हणजे विद्युत् भारित अणू बनतो. ज्या प्रक्रियेत इलेक्ट्रॉन ऊर्जा शोषतो व अणू सोडून जातो, तिला आयनीभवन म्हणतात. या प्रक्रियेमुळे द्रव्यातील आपले स्थान टिकवून ठेवणे व कार्य करणे यांविषयी अणूच्या क्षमतेवर या प्रक्रियेचा परिणाम होतो. आयनीभवनामुळे रासायनिक बंध तुटू शकतात (भंग पावू शकतात) आणि रेणूंचा आकार बदलून जाऊ शकतो. अशा प्रकारे जर पदार्थात किंवा जिवंत ऊतकात (समान रचना व कार्य असणाऱ्या कोशिकासमूहात म्हणजे पेशीसमूहात) पुरेसे आयनीभवन घडले, तर त्याचे नुकसान वा हानी होते.
निर्मिती : क्ष-किरण नलिका : हिचे कार्य पुढीलप्रमाणे चालते : हिच्यात इलेक्ट्रॉनांच्या शलाकेला प्रवेगित करून अतिउच्च गती देतात व तिला दिशा देऊन ती द्रव्याच्या तुकड्यात पाठवितात, त्या तुकड्याला लक्ष्य असे म्हणतात. लक्ष्य इलेक्ट्रॉनांची बहुतेक ऊर्जा शोषून घेते व तिचेउष्णतेत परिवर्तन करते. तथापि काही ऊर्जेचे पुढील दोनपैकी एका प्रक्रियेने क्ष-किरणांत परिवर्तन होते. एका प्रक्रियेने ब्रेम्सस्ट्राहलुंग (या जर्मन शब्दाचा अर्थ गतिरोधक प्रारण) निर्माण होतात तर दुसऱ्या प्रक्रियेत वैशिष्ट्यपूर्ण क्ष-किरण निर्माण होतात.
 |
तरंगलांबी अधिक लहान असते. क्ष-किरण नलिकेत इलेक्ट्रॉन शलाका लक्ष्यामध्ये प्रविष्ट झाल्यावर शलाकेतील इलेक्ट्रॉन दिशा बदलतात. ही वळण्याची क्रिया घडते कारण विरोधी विद्युत् भार एकमेकांकडे आकर्षित होतात. जेव्हा शलाकेतील इलेक्ट्रॉन लक्ष्यातील अणुकेंद्राजवळून जातो, तेव्हा अणुकेंद्रातील प्रोटॉन इलेक्ट्रॉनाला आकर्षून घेतात. लक्ष्ये ही उच्च अणुक्रमांकाच्या द्रव्यांची बनलेली असतात, म्हणून त्यांच्या अणुकेंद्रात प्रोटॉनांची संख्या जास्त असते. त्यामुळे इलेक्ट्रॉन व अनेक प्रोटॉन यांच्यातील आकर्षण तीव्र स्वरूपाचे अतिप्रबल असते. त्यामुळे इलेक्ट्रॉनाचा मार्ग तीव्रपणे वळतो.
वैशिष्ट्यपूर्ण क्ष-किरण : जेव्हा शलाकेतील इलेक्ट्रॉन त्याची पुष्कळ ऊर्जा लक्ष्यातील अणूमधील इलेक्ट्रॉनाला देतो, तेव्हा क्ष-किरणनिर्मितीची दुसरी प्रक्रिया सुरू होते. लक्ष्यातील अणूमधील इलेक्ट्रॉन अणुकेंद्राभोवती विविध कक्षेत गटांमध्ये फिरतात आणि या गटांना कवचे म्हणतात. सर्वांत कमी ऊर्जावान इलेक्ट्रॉन अणुकेंद्राला सर्वाधिक जवळ असलेल्या कवचात असतात. उत्तरोत्तर अधिकाधिक ऊर्जावान असलेले इलेक्ट्रॉन अणु-केंद्रापासून अधिकाधिक दूर असलेल्या कवचांमध्ये असतात. लक्ष्यातील अणूमध्ये ऊर्जा शोषणारे इलेक्ट्रॉन बहुधा अणुकेंद्रापासून सर्वांत जवळ असलेल्या कवचात असतात आणि तो इलेक्ट्रॉन इतकी ऊर्जा शोषतो की तो अणूतून बाहेर पडतो.
सदर इलेक्ट्रॉन अणूबाहेर गेला की, लक्ष्याच्या अणूतील दुसरा इलेक्ट्रॉन त्याची जागा घ्यायला प्रवृत्त होतो परंतु जागा घेणारा इलेक्ट्रॉन ज्या कवचात असतो, ते कवच ज्या कवचातील इलेक्ट्रॉन अणूतून बाहेर पडला, त्या कवचापेक्षा अणुकेंद्रापासून अधिक दूर असते. म्हणून बाहेर गेलेल्या इलेक्ट्रॉनाची जागा घेणाऱ्या इलेक्ट्रॉनाला या दोन कवचां-मधील ऊर्जेतील फरकाएवढी ऊर्जा सोडून द्यावी लागते. तो अशी ऊर्जा क्ष-किरणाच्या रूपातील विद्युत् चुंबकीय प्रारण उत्सर्जित करून सोडून देतो. या क्ष-किरणाची ऊर्जा ही लक्ष्यातील अणूचे वैशिष्ट्य असते. याचा अर्थ दिलेल्या मूलद्रव्याचे लक्ष्यातील अणू जे क्ष-किरण उत्सर्जित करतात त्यांची ऊर्जा तेवढीच असते.
सिंक्रोट्रॉन प्रारण : सिंक्रोट्रॉन प्रारण ही विद्युत् चुंबकीय ऊर्जा असते. इलेक्ट्रॉनासारखे विद्युत् भारित कण चुंबकीय अथवा विद्युतीय क्षेत्रामध्ये सर्पिल मार्गात प्रकाशाच्या गतीएवढ्या (सापेक्षीय) गतीला (सेकंदाला सु. ३ लाख किमी.) प्रवेगित केल्यास सिंक्रोट्रॉन प्रारण निर्माण होते. इलेक्ट्रॉन, पॉझिट्रॉन किंवा आयन प्रकाशाच्या गतीने जात असताना त्यांचा मार्ग चुंबकीय क्षेत्रामुळे बदलतो. हे विद्युत् भारित कण सिंक्रोट्रॉन प्रारणाच्या रूपातील ऊर्जा उत्सर्जित करतात. क्ष-किरण शलाका निर्मिती-साठी हे प्रारण विशेष उपयुक्त आहे. नव्या प्रगतीमुळे क्ष-किरण विवर्तन तंत्राचे व्यापक उपयोग होऊ लागले आहेत. यांपैकी एका प्रगत उपयोगात सिंक्रोट्रॉन प्रारण हा क्ष-किरणांचा एक शक्तिशाली उद्गम म्हणून वापरतात.
सिंक्रोट्रॉनासारख्या यंत्रांमध्ये क्ष-किरणांच्या सर्वांत तीव्र शलाका निर्माण होतात. सिंक्रोट्रॉनात कड्यांच्या रूपांत मांडणी केलेले सरळ व वक्र विभाग असतात. सरळ विभागांत रेडिओ तरंग इलेक्ट्रॉनांच्या वा इतर विद्युत् भारित कणांच्या शलाकेला उच्च गतीपर्यंत प्रवेगित करतात. वक्र विभागांतील विद्युत् चुंबक कड्याभोवती शलाकेला दिशा देतात. जेव्हा विद्युत् भारित कण चुंबकीय क्षेत्राला छेदून जातो, तेव्हा त्याची दिशा बदलते. यामुळे ही दिशादर्शकाची पद्धती तिचे कार्य करते. जेव्हा एखादा कण दिशा बदलतो, तेव्हा तो विद्युत् चुंबकीय प्रारणही उत्सर्जित करतो व त्याला सिंक्रोट्रॉन प्रारण म्हणतात. [→ सिंक्रोट्रॉन प्रारण].
बाह्य अवकाशातील क्ष-किरण स्रोत : तप्त खस्थ पदार्थ हे क्ष-किरणांचे मुख्य स्रोत आहेत. अणूंच्या कंपनांतून क्ष-किरण निर्माण होतात. कोणत्याही पदार्थातील अणू विविध गतींनी कंप पावतात. अणू प्रत्येक वेळी मागे-पुढे कंप पावताना त्याच्या गतीची थोडी ऊर्जा एका वा अधिक इलेक्ट्रॉनांकडे संक्रमित (स्थानांतरित) होते. नंतर इलेक्ट्रॉन विद्युत् चुंबकीय प्रारण उत्सर्जित करून त्यांच्या आधीच्या ऊर्जा पातळ्यांना परत येतात. कंपन जेवढे अधिक जलद तेवढी उत्सर्जनाची तरंगलांबी कमी असते, म्हणून पदार्थ विविध तरंगलांब्यांना प्रारण उत्सर्जित करतो. परंतु यांपैकी काही तरंगलांब्यांबरोबर पदार्थाने उत्सर्जित केलेल्या एकूण ऊर्जेपैकी पुष्कळ ऊर्जा वाहून नेली जाते म्हणजे इतर तरंगलांबीबरोबरच्या ऊर्जेपेक्षा ही ऊर्जा अधिक असते. तापमान जेवढे उच्चतर असते तेवढी बहुतेक ऊर्जा वाहून नेणाऱ्या प्रारणाची तरंगलांबी अधिक कमी असते.
सुमारे एक दशलक्ष अंश सेल्सिअस तापमान असलेल्या खस्थ पदार्थांत जंबुपार पल्ल्यातील शिखर तरंगलांब्या असतात व ते क्ष-किरणांचे शक्तिशाली उत्सर्जकही असतात. क्ष-किरण उत्सर्जकाचा एक मुख्य प्रकार म्हणजे क्ष-किरण युग्मतारा होय. हा युग्मतारा म्हणजे एकमेकां-भोवती कक्षेत कमी अंतरावरून फिरणारे दोन तारे होत. यांतील एक तारा नेहमीचा असून दुसरा तारा हा न्यूट्रॉन तारा असतो. न्यूट्रॉन तारा हा माहीत असलेला सर्वांत लहान व सर्वांत दाट (घन) असा ताऱ्याचा प्रकार आहे [→ तारा]. न्यूट्रॉन ताऱ्याच्या प्रचंड गुरुत्वीय प्रेरणेमुळे नेहमीसारख्या ताऱ्यातील द्रव्य बाहेर खेचून घेतले जाते. या द्रव्यामुळे न्यूट्रॉन ताऱ्याभोवती मोठे बिंब (चकती) तयार होते. घर्षणामुळे तबकडीसारख्या बिंबाचे तापमान १ दशलक्ष अंश सेल्सिअसपेक्षा अधिक होते आणि म्हणून ते क्ष–किरण उत्सर्जित करते. [→ क्ष-किरण ज्योतिषशास्त्र].
जीववैज्ञानिक परिणाम : क्ष-किरणांचे हानिकारक परिणाम राँटगेन यांना त्यांच्या शोधानंतर थोड्याच काळात लक्षात आले होते. तेव्हा जगभरातील अनेक प्रयोगशाळांमध्ये क्ष-किरणनिर्मितीसाठी लागणाऱ्या निर्वात नलिका व उच्च विद्युत् दाबाचे स्रोत आधीच उपलब्ध झाले होते. तथापि क्ष-किरणांची संवेदना होत नाही व ते पडल्यावर लगेचच शरीर-क्रियावैज्ञानिक प्रतिक्रियेची जाणीव होत नाही. यांमुळे अनेक प्रयोगकर्त्यांच्या हातांवर बराच काळ क्ष-किरण पडत राहिल्यामुळे क्ष-किरणांची तीव्र प्रतिक्रिया होऊ शकते, हे लवकरच लक्षात आले. त्यांच्यामुळे सूर्यदाहा-सारखी तीव्र प्रतिक्रिया होते आणि अधिक खोलवर व कायमची हानी पोहचू शकते. अशा रीतीने क्षत किंवा व्रण निर्माण होऊन नंतर पुष्कळदा कर्करोग झाल्याचे लक्षात आले. यांमुळे आधीच्या अनेक कर्मचाऱ्यांची बोटे व हात यांचे छेदन करावे लागले. काहींच्या बाबतीत शेवटी रुग्णाचा मृत्यूही झाला. क्ष-किरणांच्या धोक्यांसंबंधीची अधिक माहिती मराठी विश्वकोशा तील ‘क्ष-किरण वैद्यक’ या नोंदीत आली आहे.
उपयोग : वैद्यकाशिवाय उद्योगधंदे, स्फटिकवैज्ञानिक संशोधन, ज्योतिषशास्त्र इत्यादींमध्ये क्ष-किरणांचा उपयोग केला जातो. मराठी विश्वकोशा त ज्योतिषशास्त्रातील क्ष-किरणांच्या उपयोगांची माहिती ‘क्ष-किरण ज्योतिषशास्त्र’ या नोंदीत आणि क्ष-किरणांच्या वैद्यकीय उपयोगांची माहिती ‘क्ष-किरण वैद्यक’ या नोंदीत आली आहे.
प्रकाशाच्या दृष्टीने अपारदर्शक असलेल्या द्रव्यांत क्ष-किरण घुसू शकतात, त्यांच्या तरंगलांब्या अतिसूक्ष्म असतात आणि क्ष-किरण फोटॉनांची व्यक्तिगत ऊर्जा उच्च असते. विशेषीकृत क्ष-किरण स्रोत, अभिज्ञातक व विश्लेषणाची तंत्रे विकसित झाली आहेत. सर्वांत साध्या रेणूंमधील आंतरक्रियांपासून ते मानवी मेंदूच्या संरचनेपर्यंतच्या अध्ययनांमध्ये अनेक प्रश्न समोर येतात आणि या प्रश्नांची उत्तरे मिळ-विण्यासाठी अशा क्ष-किरण स्रोतांचा, अभिज्ञातकांचा व विश्लेषण तंत्रांचा उपयोग करता येतो.
ॲल्युमिनियम, पोलाद व इतर ओतीव धातू यांसारख्या विविध प्रकारच्या द्रव्यांपासून उत्पादित केलेल्या वस्तूंच्या परीक्षणासाठी निरीक्षक क्ष-किरण वापरतात. क्ष-किरण चित्रणामुळे (रेडिओग्राफीमुळे) उत्पादनाच्या अंतर्भागात असलेले तसेच वितळजोडकामातील तडे, भेगा व इतर दोष लक्षात येतात. यांमुळे उत्पादनांची गुणवत्ता तपासता येते. संगणकीय चिपा व इतर लहान इलेक्ट्रॉनीय प्रयुक्त्या यांसारख्या महोत्पादित उत्पादनांची गुणवत्ता तपासून पाहण्यासाठी क्ष-किरण वापरतात. हत्यारे व बाँब यांच्यासाठी आणि पिशव्या, बॅगा इ. साहित्यांची तपासणी करण्यासाठी विमानतळावर क्रमवीक्षकात क्ष-किरण वापरतात.
स्फटिक हा अणुरेणूंचा बनलेला असून स्फटिकांतील अणूंची मांडणी निश्चित करण्यासाठी शास्त्रज्ञ क्ष-किरण वापरतात. स्फटिकातील अणू प्रतलांमध्ये मांडलेले असतात व या प्रतलांमध्ये नियमित अंतर असते. स्फटिकवैज्ञानिक क्ष-किरणांची शलाका स्फटिकामधून पाठवितात. स्फटिकातील प्रतले सूक्ष्म आरशांसारखे कार्य करतात व ते क्ष-किरणांचे विवर्तन (पसरविण्याची क्रिया) करून भूमितीय आकृतिबंध निर्माण करतात. प्रत्येक प्रकारच्या स्फटिकाद्वारे भिन्न विवर्तन आकृतिबंध निर्माण होतो. अशा आकृतिबंधांचे गणितीय विश्लेषण केल्यावर भिन्न स्फटिकांमधील अणूंची अचूक भूमितीय मांडणी वा रचना उघड होऊ शकते. एंझाइमे व प्रथिने यांसारख्या जटिल जैवरेणूंची तसेच व्हायरसांची संरचना व जडणघडण यांचे अध्ययन करण्यासाठीही वैज्ञानिक क्ष-किरण वापरतात.
क्ष-किरण अनुस्फुरण विश्लेषण ही विनाशक नसलेली भौतिकीय पद्धती घन वा द्रव रूपातील द्रव्यांतील मूलद्रव्यांच्या विश्लेषणासाठी वापरतात. धातू व मिश्रधातू, सिमेंट, खनिज तेल उद्योग व अकार्बनी रसायने यांच्या मोठ्या प्रमाणावरील औद्योगिक प्रक्रियेमध्ये (संस्करणामध्ये) संघटनात्मक नियंत्रणासाठी क्ष-किरण अनुस्फुरण विश्लेषण वापरतात. भूवैज्ञानिक समन्वेषण व खनिजवैज्ञानिक विश्लेषण, मृदा व वनस्पती, काचा, संक्षारणातून उत्पन्न होणारे पदार्थ, कच्च्या मालाचे विश्लेषण आणि मुलाम्याच्या जाडीचे मापन यांसाठी ही पद्धत वापरतात. संशोधन व तंत्रविद्या यांच्यासाठी द्रव्यांची गुणवैशिष्ट्ये ठरविण्यासाठी ही पद्धती उपयुक्त आहे. कारण हिच्यामुळे नमुना नष्ट न होता रासायनिक माहिती मिळते. वेळखाऊ जटिल विश्लेषणांसाठी ही एकमेव सुकर अशी पद्धत आहे. उदा., उच्चतापसह धातू, उच्चवेग कर्तन पोलाद व जटिल मिश्रधातू. शिवाय वैद्यकीय क्षेत्रातील, पर्यावरणरक्षण व प्रदूषण नियंत्रण यांसाठीच्या व अनेक संशोधन अनुप्रयुक्तींमधील विविध विश्लेषणांत क्ष-किरण अनुस्फुरण विश्लेषण वापरतात.
जीवविज्ञानात अनेक ऊतकांचे शुष्क वजन, पाण्याचा अंश व मूलद्रव्यांचे संघटन यांच्या राश्यात्मक निश्चितीसाठी क्ष-किरण सूक्ष्म-दर्शिकी तंत्र वापरतात. क्ष-किरण चूर्ण पद्धतींची भौतिकीय तंत्रे द्रव्ये ओळखण्यासाठी व इतर प्रकारच्या विश्लेषणांसाठी (मुख्यतः घनरूपातील स्फटिकी द्रव्ये) वापरतात. क्ष-किरण वर्णपटमापन हे नमुन्यांच्या मूलद्रव्यविषयक संघटनाच्या राश्यात्मक विश्लेषणासाठी वापरण्यात येणारे जलद व स्वस्त असे तंत्र आहे. टोमोग्राफिक (छेददर्शन) तंत्रे त्रिमितीय प्रतिमा मिळविण्यासाठी उपयुक्त असून ती वैद्यकीय निदानामध्ये अमूल्य अशी आहेत. [→ वैद्यकीय प्रतिमादर्शन क्ष-किरण वैद्यक].
वैज्ञानिक संशोधनात द्रव्याची इलेक्ट्रॉनीय संरचना व अवकाशातील संरचना अभ्यासण्यासाठी क्ष-किरण वापरतात. शास्त्रज्ञांनी क्ष-किरण सूक्ष्मदर्शक व क्ष-किरण सूक्ष्मएषण्या विकसित केल्या आहेत. त्यांच्यामुळे भिन्न मूलद्रव्यविषयक सूक्ष्मभेदाबरोबरच्या विरोधाभासासह उच्च अवकाशीय विभेदन असलेल्या प्रतिमा निर्माण करणे शक्य होते.
द्रव्यांची संरचना व संघटन उघड करण्याच्या दृष्टीने क्ष-किरण हे सूक्ष्मपरीक्षा किंवा शास्त्रीय निर्णय करण्याचे प्रभावी साधन आहे. भिन्न घनता, संघटन व समांगता (एकसारखेपणा) असलेली द्रव्ये क्ष-किरण भिन्न प्रमाणात शोषतात. यामुळे क्ष-किरण प्रतिमांची उपयुक्तता अतिशय मोठी आहे. विमान प्रवासातील बॅगांसारख्या सामानांमधील अंतर्गत पदार्थांचे परीक्षण करण्यासाठी क्ष-किरण वापरतात. उद्योगधंद्यांत ओतीव वस्तूंतील थेट डोळ्यांना न दिसू शकणारे दोष व त्रुटी ओळखण्यासाठी क्ष-किरण प्रतिमा वापरतात. क्ष-किरण सूक्ष्मदर्शकांमुळे क्ष-किरण शोषण प्रतिमांचे वर्धन करता येते, त्यामुळे ४० नॅमी. (अणूच्या व्यासाच्या सु. ४०० पट) इतक्या सूक्ष्म मापाच्या बाबींचे विभेदन करणे शक्य होते. ही विभेदनक्षमता सर्वोत्कृष्ट प्रकाशकीय सूक्ष्मदर्शकाच्या विभेदन-क्षमतेच्या सु. पाचपट मोठी आहे. कारण क्ष-किरणांच्या अतिलघू तरंगलांब्यांशी असलेल्या विवर्तन परिणामांमुळे हे शक्य होते. क्ष-किरण सूक्ष्मदर्शकात बहुधा मृदू क्ष-किरण (१–१० नॅमी. तरंगलांबींचे) वापरतात आणि केंद्रीकरण साध्य करण्यासाठी परावर्तनशील प्रकाशकीवर किंवा ‘वृत्त पटलांवर’ अवलंबून असतात. मृदू क्ष-किरण पट्ट्यात ( भागात) पाणी सापेक्षतः पारदर्शक असल्याने जलीय पर्यावरणातील जैव द्रव्यांचे अध्ययन करण्यासाठी हे सूक्ष्मदर्शक आदर्श आहेत. एदअऋड (एक्स्टेन्डेड एक्स-रे ॲब्सॉर्प्शन फाइन स्ट्रक्चर विवर्धित क्ष-किरण शोषण सूक्ष्म संरचना) हे दुसरे सुविकसित शोषण तंत्र आहे आणि या तंत्राने स्फटिक व चूर्णरूप द्रव्याच्या अस्थिर नमुन्यांमधील अणूंची व रेणूंची लघू पल्ल्यातील व्यवस्थित मांडणी ओळखणे शक्य होते.
क्ष-किरण विवर्तन तंत्रांमुळे (किंवा क्ष-किरण स्फटिकविज्ञानाने) अकार्बनी, कार्बनी व जैव द्रव्यांमधील स्फटिक संरचना ठरविणे शक्य होते. डीऑक्सिरिबोन्यूक्लिइक अम्ल (डीएनए) या जनुकीय द्रव्याचा क्ष-किरण स्फटिकवैज्ञानिक अभ्यास ⇨ मॉरिस ह्यू फ्रेडरिक विल्किन्झ यांनी केला होता. त्याच्या आधारे ⇨ जेम्स ड्यूई वॉटसन व ⇨ फ्रॅन्सिस हॅरी कॉम्पटन क्रिक या दोघांनी डीएनए रेणूची गोल जिन्याप्रमाणे दिसणारी किंवा दुहेरी साखळीच्या पिळाची तपशीलवार आणवीय संरचना उघड केली. द्रव्याच्या संघटनाच्या राश्यात्मक विश्लेषणासाठी क्ष-किरण अनुस्फुरण ही पूरक पद्धती आहे. या तंत्रात नमुन्यावर इलेक्ट्रॉनांची किंवा प्राथमिक क्ष-किरणांची शलाका टाकतात. यातून उद्भवणाऱ्या आणवीय उद्दीपनामुळे क्ष-किरण उत्सर्जन होते व या क्ष-किरणांच्या तरंगलांब्या नमुन्यातील मूलद्रव्यांच्या सूचक असतात. काही थोडे मायक्रोमीटराएवढ्या सूक्ष्म मापाच्या नमुन्यातील घटक ओळखण्यासाठी इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मएषणी या प्रयुक्तीत ही प्रक्रिया वापरतात. कलाकृतीच्या अविनाशक विश्लेषणासाठी क्ष-किरण अनुस्फुरण व विवर्तन तंत्रे या मूल्यवान पद्धती आहेत. ब्रशस्ट्रोक (कुंचल्याचा फटकारा) तंत्रे आणि तैलरंग चित्रांतील उपरि-रंगीबेरंगी १२८१ – १३१२रंगद्रव्यांची मांडणी, लेपनांचे व व्हार्निशांचे अस्तित्व, तसेच काचा, पोर्सलेन व एनॅमल यांची संघटने क्ष-किरण विश्लेषणाद्वारे उघड होतात.
आधुनिक सिंक्रोट्रॉन प्रारण सुविधांमध्ये निर्माण होणाऱ्या अतिशय उच्च क्ष-किरण तीव्रतांमुळे वरील अनेक तंत्रांमध्ये वाढ झाली आहे. पृष्ठभागांवरील रासायनिक विक्रिया, अर्धसंवाहक व चुंबकीय द्रव्ये यांची इलेक्ट्रॉनीय संरचना, तसेच प्रथिने व जैव बृहत् रेणू यांची संरचना व कार्य यांची पाहणी वा तपासणी करण्यासाठी निवडक तरंगलांब्याच्या भागाशी मेलित केलेले अतिशय तेजस्वी आखूड क्ष-किरण स्पंद वापरतात. क्ष-किरण लेसर हा उच्च तीव्रता क्ष-किरणांचा दुसरा चांगला संभाव्य स्रोत आहे. वर्णपटाच्या दीर्घतर तरंगलांब्यांच्या टोकाशी असणारा सुसंगत किंवा कलामेलित क्ष-किरण (क्ष-किरण लेसर) प्रयोगशाळेत निर्माण करण्यात आला आहे. मात्र लघुतर तरंगलांब्यांजवळची व्यावहारिक प्रयुक्ती तयार करणे हे अवघड असे तंत्रविद्याविषयक आव्हान राहिले आहे.
पहा : अस्थिभंग कॉम्पटन परिणाम धातूंचे परीक्षण प्रारण चिकित्सा प्रारण जीवविज्ञान राँटगेन, व्हिल्हेल्म कोनराट विद्युत् चुंबकीय तरंग विद्युत् चुंबकीय प्रारण वैद्यकीय प्रतिमादर्शन क्ष-किरण ज्योतिषशास्त्र क्ष-किरण वैद्यक.
संदर्भ : 1. Brown, J. G. X-rays and Their Applications, 1975.
2. Cullinan, A. M. Illustrated Guide to X-ray Technics, 1980.
3. Dyson, N. A. X-rays in Atomic and Nuclear Physics, 1990.
4. Selman, J. Fundamentals of X-ray and Radium Physics, 1994.
5. Weaver, K. The Violent Universe : Joyrides Through the X-ray Cosmos, 2005.
ठाकूर, अ. ना.
“