X射線

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膽囊切除術時的X射線

X射線英語X-ray),又被稱為艾克斯射線倫琴射線X射線,是一種波長範圍在0.01奈米到10奈米之間(對應頻率範圍30 PHz到30EHz)的電磁輻射形式。X射線最初用於醫學成像診斷和X射線結晶學。X射線也是游離輻射等這一類對人體有危害的射線。

X射線波長範圍在較短處與伽馬射線較長處重疊。

歷史[編輯]

早期X射線重要的研究者有Ivan Pului教授、威廉·克魯克斯爵士、約翰·威廉·希托夫Eugene Goldstein海因里希·魯道夫·赫茲菲利普·萊納德亥姆霍茲尼古拉·特斯拉愛迪生查爾斯·巴克拉馬克思·馮·勞厄威廉·倫琴

一台水冷X射線管的圖紙(簡化/過時)

物理學家希托夫觀察到真空管中的陰極發出的射線。當這些射線遇到玻璃管壁會產生螢光。1876年這種射線被Eugene Goldstein命名為"陰極射線"。隨後,英國物理學家克魯克斯研究稀有氣體裡的能量釋放,並且製造了克魯克斯管。這是一種玻璃真空管,內有可以產生高電壓的電極。他還發現,當將未曝光的相片底片靠近這種管時,一些部分被感光了,但是他沒有繼續研究這一現象。1887年4月,尼古拉·特斯拉開始使用自己設計的高電壓真空管與克魯克斯管研究X射線。他發明了單電極X射線管,在其中電子穿過物質,發生了現在叫做軔致輻射的效應,生成高能X射線射線。1892年特斯拉完成了這些實驗,但是他並沒有使用X射線這個名字,而只是籠統成為放射能。他繼續進行實驗,並提醒科學界注意陰極射線對生物體的危害性,但他沒有公開自己的實驗成果。1892年赫茲進行實驗,提出陰極射線可以穿透非常薄的金屬箔。赫茲的學生倫納德進一步研究這一效應,對很多金屬進行了實驗。亥姆霍茲則對光的電磁本性進行了數學推導。

倫琴拍攝的一張X射線照片,倫琴夫人的手骨與戒指

1895年11月8日德國科學家倫琴開始進行陰極射線的研究。1895年12月28日他完成了初步的實驗報告「一種新的射線」。他把這項成果發布在維爾茨堡's Physical-Medical Society雜誌上。為了表明這是一種新的射線,倫琴採用表示未知數的X來命名。很多科學家主張命名為倫琴射線,倫琴自己堅決反對,但是這一名稱直至今日仍然被廣泛使用,尤其在德語國家。1901年倫琴獲得諾貝爾物理學獎

1895年愛迪生研究了材料在X射線照射下發出螢光的能力,發現鎢酸鈣最為明顯。1896年3月愛迪生發明了螢光觀察管,後來被用於醫用X射線的檢驗。然而1903年愛迪生終止了自己對X射線的研究,因為他公司的一名玻璃工人喜歡將X射線管放在手上檢驗,得上了癌症,儘管進行了截肢手術仍然沒能挽回生命。1906年物理學家貝克勒耳發現X射線能夠被氣體散射,並且每一種元素有其特徵X譜線。他因此獲得了1917年諾貝爾物理學獎

在20世紀80年代,X射線雷射器被設置為隆納·雷根總統的戰略主動防禦計劃的一部分。然而對該裝置(一種類似雷射炮,或者死亡射線的裝置,由熱核反應提供能量)最初的、同時也是僅有的試驗並沒有給出結論性的結果。同時,由於政治和技術的原因,整體的計劃(包括X射線雷射器)被擱置了(然而該計劃後來又被重新啟動——使用了不同的技術,並作為布希總統國家飛彈防禦計劃的一部分)。

在20世紀90年代,哈佛大學建立了Chandra X射線天文台,用來觀測宇宙中強烈的天文現象中產生的X射線。與從可見光觀測到的相對穩定的宇宙不同,從X射線觀測到的宇宙是不穩定的。它向人們展示了恆星如何被黑洞絞碎,星系間的碰撞,超新星中子星

X射線的產生[編輯]

X射線波長略大於0.5 nm的被稱作軟X射線。波長短於0.1奈米的叫做硬X射線。硬X射線與波長長的(能量小)伽馬射線範圍重疊,二者的區別在於輻射源,而不是波長:X射線光子產生於高能電子加速,伽馬射線則來源於原子核衰變。

產生X射線的最簡單方法是用加速後的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中,電子突然減速,其損失的動能會以光子形式放出,形成X射線光譜的連續部分,稱之為制動輻射。通過加大加速電壓,電子攜帶的能量增大,則有可能將金屬原子的內層電子撞出。於是內層形成空穴,外層電子躍遷回內層填補空穴,同時放出波長在0.1奈米左右的光子。由於外層電子躍遷放出的能量是量子化的,所以放出的光子的波長也集中在某些部分,形成了X射線譜中的特徵線,此稱為特性輻射

此外,高強度的X射線亦可由同步加速器自由電子雷射產生。同步輻射光源,具有高強度、連續波長、光束準直、極小的光束截面積並具有時間脈波性與偏振性,因而成為科學研究最佳之X射線光源。

探測器[編輯]

X射線的探測可基於多種方法。最普通的一種方法叫做照相底板法,這種方法在醫院里經常使用。將一片照相底片放置於人體後,X射線穿過人體內軟組織(皮膚及器官)後會照射到底片,令這些部位於底片經顯影後保留黑色;X射線無法穿過人體內的硬組織,如或其他被注射含的物質,底片於顯影後會顯示成白色。光激影像板en:image plate)因容易數位化,在少部分醫院已取代傳統底片。另一方法是利用X射線照射在特定材質上以產生螢光,例如碘化鈉(NaI)。科學研究上,除了使用X射線CCD,也利用X射線游離氣體的特性,使用氣體游離腔做為X射線強度之偵測。這些方法只能顯示出X射線的光子密度,但無法顯示出X射線的光子能量。X射線光子的能量通常以晶體使X射線繞射再依布拉格定律Bragg's law)決定之。

X射線衍射[編輯]

在晶體學研究上,勞厄發現了X射線通過晶體之後產生的衍射現象,即X射線衍射。布拉格則使用布拉格定律對衍射關係進行了定量的描述。

醫學用途[編輯]

X射線下的六指手掌

倫琴發現X射線後僅僅幾個月時間內,它就被應用於醫學影像。1896年2月,蘇格蘭醫生約翰·麥金泰爾格拉斯哥皇家醫院設立了世界上第一個放射科。

放射醫學醫學的一個專門領域,它使用放射線照相術和其他技術產生診斷圖像。的確,這可能是X射線技術應用最廣泛的地方。X射線的用途主要是探測骨骼的病變,但對於探測軟組織的病變也相當有用。常見的例子有胸腔X射線,用來診斷肺部疾病,如肺炎肺癌肺氣腫;而腹腔X射線則用來檢測腸道梗塞,自由氣體(free air,由於內臟穿孔)及自由液體(free fluid)。某些情況下,使用X射線診斷還存在爭議,例如結石(對X射線幾乎沒有阻擋效應)或腎結石(一般可見,但並不總是可見)。

藉助計算機,人們可以把不同角度的X射線影像合成成三維圖像,在醫學上常用的電腦斷層掃描(CT掃描)就是基於這一原理。

X射線穿透能力與其頻率有關,利用其容易被高原子序數材料吸收的特點,防護上一般可用2-3mm左右的鉛板加以屏蔽。 美國艾伯特博士曾利用X射線製造出美容除毛機並建立崔可公司,但之後這種機器被證明會導致DNA突變,導致數百萬名婦女毀容,求償10億美元,崔可公司因而破產,之後艾伯特博士便人間蒸發。

參看[編輯]

參考資料[編輯]