Как и многие монументальные открытия человечества,рентгеновская технологиябыла изобретена совершенно случайно. В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген сделал это открытие, экспериментируя сэлектронными лучамивгазоразрядной трубке Рентген заметил, что флуоресцентный экран в его Лаборатория начала светиться, когда был включен электронный луч. Этот ответ сам по себе не был таким уж удивительным - флуоресцентный материал обычно светится в ответ на электромагнитное излучение, - но трубка Рентгена была окружена плотным черным картоном. Рентген предположил, что это блокирует большую часть излучения.
Рентген помещал между трубкой и экраном разные предметы, а экран все равно светился. Наконец, он поднес руку к трубке и увидел силуэт своих костей, спроецированный на флуоресцентный экран. Сразу после открытия самих рентгеновских лучей он обнаружил их наиболее полезное применение.
Замечательное открытие Рентгена ускорило одно из самых важных медицинских достижений в истории человечества. Рентгеновская технология позволяет врачам видеть прямо сквозь ткани человека, чтобы с необычайной легкостью исследовать сломанные кости, полости и проглоченные предметы. Модифицированные рентгеновские процедуры можно использовать для исследования мягких тканей, таких как легкие, кровеносные сосуды или кишечник.
В этой статье мы узнаем, как именно рентгеновские аппараты проворачивают этот невероятный трюк. Как оказалось, основной процесс действительно очень прост.
Что такое рентген?
Рентгеновские лучи - это, по сути, то же самое, что и лучи видимого света. Оба являются волнообразными формамиэлектромагнитной энергии, переносимой частицами, называемыми фотонами (подробности см. в разделе «Как работает свет»). Разница между рентгеновскими лучами и лучами видимого света заключается вэнергетическом уровнеотдельных фотонов. Это также выражается какдлина волны лучей.
Наши глаза чувствительны к определенной длине волны видимого света, но не к более короткой длине волны рентгеновских волн с более высокой энергией или более длинной длине волны радиоволн с более низкой энергией.
Фотоны видимого света и рентгеновские фотоны образуются в результате движенияэлектронов в атомах. Электроны занимают разные энергетические уровни или орбитали вокруг ядра атома. Когда электрон падает на более низкую орбиталь, ему нужно высвободить некоторую энергию - он высвобождает дополнительную энергию в виде фотона. Энергетический уровень фотона зависит от того, насколько далеко электрон переместился между орбиталями. (Подробное описание этого процесса см. на этой странице.)
Когда фотон сталкивается с другим атомом, атом можетпоглощатьэнергию фотона, поднимая электрон на более высокий уровень. Чтобы это произошло, энергетический уровень фотона долженсоответствовать разности энергий между двумя позициями электрона. В противном случае фотон не может перемещать электроны между орбиталями.
Атомы, из которых состоят ткани вашего тела, очень хорошо поглощают фотоны видимого света. Энергетический уровень фотона соответствует различным энергетическим различиям между позициями электронов. Радиоволнам не хватает энергии для перемещения электронов между орбиталями в более крупных атомах, поэтому они проходят через большинство веществ. Рентгеновские фотоны также проходят сквозь большинство вещей, но по противоположной причине: у них слишком много энергии.
Однако они могут полностью выбить электрон из атома. Часть энергии рентгеновского фотона используется для отделения электрона от атома, а остальная часть отправляет электрон в полет через пространство. Более крупный атом с большей вероятностью поглотит рентгеновский фотон таким образом, потому что более крупные атомы имеют большую разницу в энергии между орбиталями - уровень энергии более точно соответствует энергии фотона. Меньшие атомы, в которых электронные орбитали разделены относительно небольшими скачками энергии, с меньшей вероятностью поглощают рентгеновские фотоны.
Мягкие ткани вашего тела состоят из более мелких атомов и поэтому плохо поглощают рентгеновские фотоны. Атомы кальция, из которых состоят ваши кости, намного крупнее, поэтому они лучшепоглощают рентгеновские фотоны.
В следующем разделе мы увидим, как рентгеновские аппараты реализуют этот эффект.
Другое использование рентгеновских лучей
Самый важный вклад рентгеновских технологий в мир медицины, но рентгеновские лучи сыграли решающую роль и в ряде других областей. Рентгеновские лучи сыграли ключевую роль в исследованиях, связанных с теорией квантовой механики, кристаллографией и космологией. В промышленном мире рентгеновские сканеры часто используются для обнаружения мельчайших дефектов в тяжелом металлическом оборудовании. И, конечно же, рентгеновские сканеры стали стандартным оборудованием службы безопасности аэропортов.
Рентгеновский аппарат
Сердцем рентгеновского аппарата являетсяпара электродов- катод и анод, которые находятся внутристеклянной вакуумной трубкиКатод представляет собойнагреваемую нить накала, как в старой люминесцентной лампе. Машина пропускает ток через нить накала, нагревая ее. Тепло выбрасывает электроны с поверхности нити. Положительно заряженный анод, плоский диск извольфрама, притягивает электроны по трубке.
Разность потенциалов между катодом и анодом чрезвычайно велика, поэтому электроны пролетают через трубку с большой силой. Когда ускоряющийся электрон сталкивается с атомом вольфрама, он выбивает электрон на одной из нижних орбиталей атома. Электрон на более высокой орбите немедленно падает на более низкий энергетический уровень, высвобождая лишнюю энергию в виде фотона. Это большая капля, поэтому у фотона высокий энергетический уровень - это рентгеновский фотон.
Свободные электроны также могут генерировать фотоны, не сталкиваясь с атомом. Ядро атома может притянуть ускоряющийся электрон ровно настолько, чтобы изменить его курс. Подобно комете, летящей вокруг Солнца, электрон замедляется и меняет направление, проносясь мимо атома. Это «тормозящее» действие заставляет электрон излучать избыточную энергию в виде рентгеновского фотона.
Столкновения с сильным ударом, связанные с производством рентгеновских лучей, выделяют много тепла. Мотор вращает анод, чтобы он не расплавился (электронный луч не всегда фокусируется на одной и той же области). Прохладная масляная ванна вокруг оболочки также поглощает тепло.
Весь механизм окружен толстым свинцовым экраном. Это предотвращает распространение рентгеновских лучей во всех направлениях. Небольшое окно в щите позволяет некоторым рентгеновским фотонам выходить узким лучом. Луч проходит через ряд фильтров на пути к пациенту.
Камера, расположенная с другой стороны пациента, записывает картину рентгеновского излучения, проходящего через все тело пациента. Рентгеновская камера использует ту же пленочную технологию, что и обычная камера, но рентгеновский свет запускает химическую реакцию вместо видимого света. (См. Как работает фотопленка, чтобы узнать об этом процессе.)
Как правило, врачи сохраняют пленочное изображение какнегатив То есть области, подвергающиеся большему воздействию света, кажутся темнее, а области, подвергающиеся меньшему воздействию света, кажутся светлее. Твердый материал, например кость, выглядит белым, а более мягкий материал - черным или серым. Врачи могут сфокусировать различные материалы, изменяя интенсивность рентгеновского луча.
Контрастные среды
На обычном рентгеновском снимке большая часть мягких тканей не видна четко. Чтобы сосредоточиться на органах или исследовать кровеносные сосуды, составляющие систему кровообращения, врачи должны вводить в организмконтрастные вещества, представляющие собой жидкости, которые поглощают рентгеновские лучи более эффективно, чем окружающих тканей. Чтобы сфокусировать внимание на органах пищеварительной и эндокринной систем, пациент проглатывает смесь контрастного вещества, обычно соединение бария. Если врачи хотят исследовать кровеносные сосуды или другие элементы системы кровообращения, они вводят контрастное вещество в кровоток пациента. Контрастные вещества часто используются в сочетании сфлюороскопом При рентгеноскопии рентгеновские лучи проходят через тело на флуоресцентный экран, создавая движущееся рентгеновское изображение. Врачи могут использовать рентгеноскопию, чтобы проследить прохождение контрастного вещества через тело. Врачи также могут записывать движущиеся рентгеновские изображения на пленку или видео.
Рентген вреден для вас?
Рентген - прекрасное дополнение к миру медицины; они позволяют врачам заглянуть внутрь пациента вообще без хирургического вмешательства. Гораздо проще и безопаснее смотреть на сломанную кость с помощью рентгена, чем вскрывать пациента.
Но рентгеновские лучи тоже могут быть вредными. На заре рентгеновской науки многие врачи подвергали пациентов и себя воздействию лучей в течение длительного периода времени. В конце концов, у врачей и пациентов началасьлучевая болезнь, и медицинское сообщество поняло, что что-то не так.
Проблема в том, что рентгеновские лучи являются формойионизирующего излученияКогда обычный свет падает на атом, он не может существенно изменить атом. Но когда рентгеновский луч попадает на атом, он может выбивать электроны из атома, создаваяион, электрически заряженный атом. Затем свободные электроны сталкиваются с другими атомами, создавая новые ионы.
Электрический заряд иона может привести к неестественным химическим реакциям внутри клеток. Помимо прочего, заряд может разорвать цепочки ДНК. Клетка с разорванной цепью ДНК либо погибнет, либо в ДНК произойдет мутация. Если погибает много клеток, в организме могут развиться различные заболевания. Если ДНК мутирует, клетка может стать раковой, и этот рак может распространиться. Если мутация находится в сперме или яйцеклетке, это может привести к врожденным дефектам. Из-за всех этих рисков врачи сегодня редко используют рентгеновские лучи.
Даже с учетом этих рисков рентгенологическое сканирование по-прежнему является более безопасным вариантом, чем хирургическое вмешательство. Рентгеновские аппараты являются бесценным инструментом в медицине, а также активом в области безопасности и научных исследований. Это действительно одно из самых полезных изобретений всех времен.
Для получения дополнительной информации о рентгеновских снимках и рентгеновских аппаратах перейдите по следующим ссылкам.