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胆囊切除术时的X射线影像图

X射线(英语:X-ray),又称X光爱克斯射线爱克斯光,也称作伦琴射线伦琴光Röntgen ray),清朝时曾称照骨术[1],是一种波长范围在0.01纳米到10纳米之间(对应频率范围30 PHz到30EHz)的电磁辐射形式。X射线最初用于医学成像诊断和X射线结晶学。X射线也是游离辐射等这一类对人体有危害的射线。

人体肺部的X射线
人体肺部的X射线

X射线波长范围在较短处与伽马射线较长处重叠。

历史

早期X射线重要的研究者有伊凡·普鲁伊教授、威廉·克鲁克斯爵士约翰·威廉·希托夫英语Johann Wilhelm Hittorf欧根·戈尔德斯坦海因里希·鲁道夫·赫兹菲利普·莱纳德亥姆霍兹尼古拉·特斯拉爱迪生查尔斯·巴克拉马克思·冯·劳厄威廉·伦琴

一台水冷X射线管的图纸(简化/过时)

1869年物理学家约翰·威廉·希托夫观察到真空管中的阴极发出的射线。当这些射线遇到玻璃管壁会产生荧光。1876年这种射线被欧根·戈尔德斯坦命名为“阴极射线”。随后,英国物理学家克鲁克斯研究稀有气体里的能量释放,并且制造了克鲁克斯管。这是一种玻璃真空管,内有可以产生高电压的电极。他还发现,当将未曝光的相片底片靠近这种管时,一些部分被感光了,但是他没有继续研究这一现象。1887年4月,尼古拉·特斯拉开始使用自己设计的高电压真空管与克鲁克斯管研究X射线。他发明了单电极X射线管,在其中电子穿过物质,发生了现在叫做轫致辐射的效应,生成高能X射线射线。1892年特斯拉完成了这些实验,但是他并没有使用X射线这个名字,而只是笼统地称为放射能。他继续进行实验,并提醒科学界注意阴极射线对生物体的危害性,但他没有公开自己的实验成果。1892年赫兹进行实验,提出阴极射线可以穿透非常薄的金属箔。赫兹的学生伦纳德进一步研究这一效应,对很多金属进行了实验。亥姆霍兹则对光的电磁本性进行了数学推导。

伦琴拍摄的一张X射线照片,阿尔伯特·冯·科立克的左手

1895年11月8日德国科学家伦琴开始进行阴极射线的研究。1895年12月28日他完成了初步的实验报告“一种新的射线”。他把这项成果发布在维尔茨堡的Physical-Medical Society杂志上。为了表明这是一种新的射线,伦琴采用表示未知数的X来命名。很多科学家主张命名为伦琴射线,伦琴自己坚决反对,但是这一名称直至今日仍然被广泛使用,尤其在德语国家。1901年伦琴获得诺贝尔物理学奖

1895年爱迪生研究了材料在X射线照射下发出荧光的能力,发现钨酸钙最为明显。1896年3月爱迪生发明了荧光观察管,后来被用于医用X射线的检验。然而1903年爱迪生终止了自己对X射线的研究,因为他公司的一名玻璃工人喜欢将X射线管放在手上检验,最后得了癌症,尽管进行了截肢手术仍然没能挽回生命。巴克拉发现X射线能够被气体散射,并且每一种元素有其特征X谱线。他因此获得了1917年诺贝尔物理学奖

在20世纪80年代,X射线激光器被设置为罗纳德·里根总统的战略主动防御计划的一部分。然而对该装置(一种类似激光炮,或者死亡射线的装置,由热核反应提供能量)最初的、同时也是仅有的试验并没有给出结论性的结果。同时,由于政治和技术的原因,整体的计划(包括X射线激光器)被搁置了(然而该计划后来又被重新启动——使用了不同的技术,并作为布什总统国家导弹防御计划的一部分)。

在20世纪90年代,哈佛大学建立了钱德拉X射线天文台,用来观测宇宙中强烈的天文现象中产生的X射线。与从可见光观测到的相对稳定的宇宙不同,从X射线观测到的宇宙是不稳定的。它向人们展示了恒星如何被黑洞绞碎,星系间的碰撞,超新星中子星

X射线的产生

波长短于0.2-0.1 nm的叫做硬X射线,波长略大者被称作软X射线[2]。硬X射线与伽马射线中波长较长的部分有重叠范围,二者的区别在于辐射源,而不是波长:X射线光子产生于高能电子加速,伽马射线则来源于原子核衰变。

产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中,电子突然减速,其损失的动能会以光子形式放出,形成X射线光谱的连续部分,称之为制动辐射。通过加大加速电压,电子携带的能量增大,则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴,外层电子跃迁回内层填补空穴,同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的,所以放出的光子的波长也集中在某些部分,形成了X射线谱中的特征线,此称为特性辐射

此外,高强度的X射线亦可由同步加速器自由电子激光产生。同步辐射光源,具有高强度、连续波长、光束准直、极小的光束截面积并具有时间脉波性与偏振性,因而成为科学研究最佳之X射线光源。

探测器

X射线的探测可基于多种方法。最普通的一种方法叫做照相底板法,这种方法在医院里经常使用。将一片照相底片放置于人体后方,X射线穿过人体内软组织(皮肤及器官)后会照射到底片,令这些部位于底片经显影后保留黑色;X射线无法穿过人体内的硬组织,如或其他被注射含的物质,底片于显影后会显示成白色。光激影像板(image plate)因容易数字化,在少部分医院已取代传统底片。另一方法是利用X射线照射在特定材质上以产生荧光,例如碘化钠(NaI)。科学研究上,除了使用X射线CCD,也利用X射线游离气体的特性,使用气体游离腔做为X射线强度之侦测。这些方法只能显示出X射线的光子密度,但无法显示出X射线的光子能量。X射线光子的能量通常以晶体使X射线衍射再依布拉格定律计算出。

X射线衍射

在晶体学研究上,劳厄发现了X射线通过晶体之后产生的衍射现象,即X射线衍射。布拉格则使用布拉格定律对衍射关系进行了定量的描述。

医学用途

X射线下的六指手掌

伦琴发现X射线后仅仅几个月时间内,它就被应用于医学影像。1896年2月,苏格兰医生约翰·麦金泰尔英语John Macintyre格拉斯哥皇家医院英语Glasgow Royal Infirmary设立了世界上第一个放射科。

放射医学医学的一个专门领域,它使用放射线照相术和其他技术产生诊断图像。的确,这可能是X射线技术应用最广泛的地方。X射线的用途主要是探测骨骼的病变,但对于探测软组织的病变也相当有用。常见的例子有胸腔X射线,用来诊断肺部疾病,如肺炎肺癌肺气肿;而腹腔X射线则用来检测肠道梗塞,自由气体(free air,由于内脏穿孔)及自由液体(free fluid)。某些情况下,使用X射线诊断还存在争议,例如结石(对X射线几乎没有阻挡效应)或肾结石(一般可见,但并不总是可见)。

借助计算机,人们可以把不同角度的X射线影像合成成三维图像,在医学上常用的电脑断层扫描(CT扫描)就是基于这一原理。

X射线穿透能力与其频率有关,利用其容易被高原子序数材料吸收的特点,防护上一般可用2-3mm左右的铅板加以屏蔽。

美国艾伯特.C.盖瑟英语Albert C. Geyser曾利用X射线制造出美容除毛机并建立崔可公司[3],但因为辐射使他罹患癌症,最后为避免癌症扩散,他切除了右手,而X射线的美容除毛机也导致数百万名妇女出现皱纹、色斑、感染、溃疡,甚至皮肤癌等症状[4]

参考文献

  1. ^ 邓永飞. 微歷史:清朝其實很有趣. 海鸽文化出版图书有限公司. 2018: 297. ISBN 9789863921158.
  2. ^ Attwood, David. Soft X-rays and extreme ultraviolet radiation. Cambridge University. 1999: 2 [2012-11-04]. ISBN 978-0-521-65214-8. (原始内容存档于2012-11-11).
  3. ^ Herzig, Rebecca "The Matter of Race in Histories of American Technology" in Technology and the African-American Experience
  4. ^ 80年前的X射线致癌事件. [2014-12-05]. (原始内容存档于2014-12-10).

参见

外部链接


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