Рентгеновские технологии позволяют нам заглядывать внутрь человеческого тела с 1895 года.
Как и многие монументальные открытия человечества, рентгеновская технология была изобретена совершенно случайно. В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген сделал открытие, экспериментируя с электронными пучками в газоразрядной трубке. Рентген заметил, что флуоресцентный экран в его лаборатории начал светиться, когда был включен электронный луч. Сам по себе этот отклик не был таким удивительным - флуоресцентный материал обычно светится в ответ на электромагнитное излучение, - но трубка Рентгена была окружена толстым черным картоном. Рентген предположил, что это заблокировало бы большую часть излучения.
Рентген помещал между трубкой и экраном различные предметы, и экран все еще светился. Наконец, он положил руку перед трубкой и увидел силуэт своих костей, спроецированный на флуоресцентный экран. Сразу после открытия самих рентгеновских лучей он обнаружил их наиболее полезное применение.
Замечательное открытие Рентгена положило начало одному из самых важных медицинских достижений в истории человечества. Рентгеновская технология позволяет врачам видеть сквозь ткани человека, чтобы с необычайной легкостью исследовать сломанные кости, полости и проглоченные предметы. Модифицированные рентгеновские процедуры можно использовать для исследования более мягких тканей, таких как легкие, кровеносные сосуды или кишечник.
В этой статье мы узнаем, как именно рентгеновские аппараты справляются с этим невероятным трюком. Как оказалось, основной процесс действительно очень прост.
СОДЕРЖАНИЕ
- Что такое рентген?
- Рентгеновский аппарат
- Рентген вреден для вас?
Что такое рентген?
Рентгеновские лучи - это в основном то же самое, что и лучи видимого света. Оба являются волнообразными формами электромагнитной энергии, переносимой частицами, называемыми фотонами (подробности см. в теме «Как работает свет»). Разница между рентгеновскими лучами и лучами видимого света заключается в уровне энергии отдельных фотонов. Это также выражается как длина волны лучей.Наши глаза чувствительны к конкретной длины волны видимого света, но не к более короткой длине волны более высокой энергии рентгеновских волн или большей длиной волны нижних энергии радиоволн.
И фотоны видимого света, и рентгеновские фотоны создаются движением электронов в атомах. Электроны занимают разные энергетические уровни или орбитали вокруг ядра атома. Когда электрон опускается на более низкую орбиталь, ему нужно высвободить некоторую энергию - он высвобождает дополнительную энергию в виде фотона. Уровень энергии фотона зависит от того, как далеко электрон упал между орбиталями.
Когда фотон сталкивается с другим атомом, атом может поглотить энергию фотона, подняв электрон на более высокий уровень. Чтобы это произошло, уровень энергии фотона должен соответствовать разнице энергий между двумя положениями электрона. В противном случае фотон не может перемещать электроны между орбиталями.
Атомы, составляющие ткань вашего тела, очень хорошо поглощают фотоны видимого света. Энергетический уровень фотона соответствует разной разнице энергий между положениями электронов. Радиоволнам не хватает энергии для перемещения электронов между орбиталями в более крупных атомах, поэтому они проходят через большинство веществ. Рентгеновские фотоны также проходят через большинство вещей, но по противоположной причине: они имеют слишком много энергии.
Другое использование рентгеновских лучей
Самый важный вклад рентгеновской технологии был сделан в мир медицины, но рентгеновские лучи сыграли решающую роль и в ряде других областей. Рентгеновские лучи сыграли решающую роль в исследованиях, связанных с теорией квантовой механики, кристаллографией и космологией. В промышленном мире рентгеновские сканеры часто используются для обнаружения мелких дефектов в оборудовании из тяжелых металлов. И , конечно же, рентгеновские сканеры стали стандартным оборудованием в системе безопасности аэропортов.
Однако они могут полностью оттолкнуть электрон от атома. Часть энергии рентгеновского фотона отделяет электрон от атома, а остальная часть отправляет электрон в полет в космосе. 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. Более мелкие атомы, в которых электронные орбитали разделены относительно небольшими скачками энергии, с меньшей вероятностью будут поглощать рентгеновские фотоны.
Мягкие ткани вашего тела состоят из более мелких атомов и поэтому не особенно хорошо поглощают рентгеновские фотоны. Атомы кальция, из которых состоят ваши кости, намного больше, поэтому они лучше поглощают рентгеновские фотоны.
В следующем разделе мы увидим, как рентгеновские аппараты используют этот эффект.
Рентгеновский аппарат
Сердцем рентгеновского аппарата является пара электродов - катод и анод - которая находится внутри стеклянной вакуумной трубки. Катод представляет собой нагретую нить накала, как в старых люминесцентных лампах. Машина пропускает ток через нить накала, нагревая ее. Тепло разбрызгивает электроны с поверхности нити. Положительно заряженный анод, плоский диск из вольфрама, тянет электроны через трубку.
Разница напряжений между катодом и анодом чрезвычайно велика, поэтому электроны летят 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 орбитали немедленно падает на более низкий энергетический уровень, высвобождая свою дополнительную энергию в виде фотона. Это большая капля, поэтому фотон имеет высокий уровень энергии - это рентгеновский фотон.
Свободный электрон сталкивается с атомом вольфрама, выбивая электрон с нижней орбитали. Электрон с более высокой орбитой заполняет пустое место, высвобождая свою избыточную энергию в виде фотона.
Свободные электроны также могут генерировать фотоны, не попадая в атом. Ядро атома может привлечь ускоряющийся электрон ровно настолько, чтобы изменить его курс. Подобно комете, вращающейся вокруг Солнца, электрон замедляется и меняет направление, когда он проходит мимо атома. Это «тормозящее» действие заставляет электрон излучать избыточную энергию в виде рентгеновского фотона.
Свободный электрон притягивается к ядру атома вольфрама. Когда электрон ускоряется, ядро меняет свой курс. Электрон теряет энергию, которую он выделяет как рентгеновский фотон.
]Контрастные среды
На нормальном рентгеновском снимке большая часть мягких тканей не видна четко. Чтобы сосредоточиться на органах или изучить кровеносные сосуды, составляющие систему кровообращения, врачи должны ввести в организм контрастное вещество.
Контрастные среды - это жидкости, которые поглощают рентгеновские лучи более эффективно, чем окружающие ткани. Чтобы сосредоточить 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 среды часто используются вместе с флюороскопом.. При рентгеноскопии рентгеновские лучи проходят через тело на флуоресцентный экран, создавая движущееся рентгеновское изображение. Врачи могут использовать рентгеноскопию, чтобы отслеживать прохождение контрастного вещества через тело. Врачи также могут записывать движущиеся рентгеновские изображения на пленку или видео.
Ударные столкновения, связанные с образованием рентгеновских лучей, выделяют много тепла. А мотор вращается анод, чтобы держать его от плавления (электронный пучок не всегда сосредоточены на одной и той же области). Холодная масляная ванна, окружающая конверт, также поглощает тепло.
Весь механизм окружен толстым свинцовым экраном. Это предотвращает утечку рентгеновских лучей во всех направлениях. Небольшое окно в экране позволяет некоторым рентгеновским фотонам выходить узким лучом. На пути к пациенту луч проходит через серию фильтров.
Камера на другой стороне пациента записывает картину рентгеновского света, который проходит через все тело пациента. В рентгеновской камере используется та же пленочная технология, что и в обычной камере, но рентгеновский свет запускает химическую реакцию вместо видимого света. ( Чтобы узнать об этом процессе, см. «Как работает фотопленка».)
Как правило, врачи хранят изображение пленки как негативное. То есть области, на которые попадает больше света, выглядят темнее, а области, на которые воздействует меньше света, - светлее. Твердый материал, например кость, выглядит белым, а более мягкий - черным или серым. Врачи могут сфокусировать различные материалы, варьируя интенсивность рентгеновского луча.
Рентген вреден для вас?
Рентген - прекрасное дополнение к миру медицины; они позволяют врачам заглядывать внутрь пациента без какого-либо хирургического вмешательства. Гораздо проще и безопаснее рассмотреть сломанную кость с помощью рентгеновских лучей, чем вскрыть пациента.Но рентгеновские лучи тоже могут быть вредными. На заре развития науки о рентгеновских лучах многие врачи подвергали пациентов и себя воздействию лучей в течение длительных периодов времени. В конце концов, у врачей и пациентов началась лучевая болезнь, и медицинское сообщество знало, что что-то не так.
Проблема в том, что рентгеновские лучи - это форма ионизирующего излучения. Когда нормальный свет попадает на атом, он не может существенно его изменить. Но когда рентгеновские лучи попадают в атом, они могут сбивать электроны с атома, создавая ион, электрически заряженный атом. Затем свободные электроны сталкиваются с другими атомами, чтобы создать больше ионов.
Электрический заряд иона может привести к неестественным химическим реакциям внутри клеток. Помимо прочего, заряд может разорвать цепочки ДНК. Клетка с разорванной цепью ДНК либо умрет, либо в ДНК разовьется мутация. Если погибает много клеток, в организме могут развиться различные заболевания. Если ДНК мутирует, клетка может стать злокачественной, и этот рак может распространиться. Если мутация относится к сперматозоиду или яйцеклетке, это может привести к врожденным дефектам. Из-за всех этих рисков врачи сегодня экономно используют рентгеновские лучи.
Даже с учетом этих рисков рентгеновское сканирование по-прежнему является более безопасным вариантом, чем хирургическое вмешательство. Рентгеновские аппараты - бесценный инструмент в медицине, а также актив в области безопасности и научных исследований. Это действительно одно из самых полезных изобретений всех времен.
