人類の記念碑的な発見の多くと同様に、X線技術は完全に偶然に発明されました。 1895年、ヴィルヘルムレントゲンというドイツの物理学者が、ガス放電管内の電子ビームを実験しながら発見しました。レントゲンは、電子ビームがオンになると、彼の研究室の蛍光スクリーンが光り始めたことに気づきました。この反応自体はそれほど驚くべきことではありませんでした-蛍光物質は通常電磁放射に反応して光ります-しかしレントゲンの管は重い黒いボール紙に囲まれていました。レントゲンは、これがほとんどの放射線を遮断したであろうと想定しました。
レントゲンはチューブとスクリーンの間にさまざまな物体を置きましたが、スクリーンはまだ輝いていました。最後に、彼はチューブの前に手を置き、彼の骨のシルエットが蛍光スクリーンに投影されているのを見ました。X線自体を発見した直後、彼はX線の最も有益な用途を発見しました。
レントゲンの驚くべき発見は、人類の歴史の中で最も重要な医学的進歩の1つを引き起こしました。X線技術により、医師は人間の組織をまっすぐに見て、壊れた骨、虫歯、飲み込んだ物体を非常に簡単に調べることができます。修正されたX線検査は、肺、血管、腸などのより柔らかい組織を検査するために使用できます。
この記事では、X線装置がこの驚くべきトリックをどのように実現するかを正確に説明します。結局のところ、基本的なプロセスは本当に非常に簡単です。
- X線とは何ですか？
- X線装置
- X線はあなたにとって悪いですか？
X線とは何ですか？
X線は基本的に可視光線と同じものです。どちらも、光子と呼ばれる粒子によって運ばれる波状の電磁エネルギーです（詳細については、光のしくみを参照してください）。X線と可視光線の違いは、個々の光子のエネルギーレベルです。これは、光線の波長としても表されます。
私たちの目は、可視光の特定の波長に敏感ですが、高エネルギーのX線波の短波長や低エネルギーの電波の長波長には敏感ではありません。
可視光光子とX線光子はどちらも原子内の電子の動きによって生成されます。電子は、原子核の周りでさまざまなエネルギー準位または軌道を占めます。電子がより低い軌道に落ちるとき、それはいくらかのエネルギーを放出する必要があります-それは光子の形で余分なエネルギーを放出します。光子のエネルギー準位は、電子が軌道間でどれだけ落下したかによって異なります。（このプロセスの詳細については、このページを参照してください。）
光子が別の原子と衝突すると、その原子は電子をより高いレベルにブーストすることによって光子のエネルギーを吸収する可能性があります。これを実現するには、光子のエネルギーレベルが2つの電子位置間のエネルギー差と一致している必要があります。そうでない場合、光子は軌道間で電子をシフトできません。
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あなたの体組織を構成する原子は、可視光の光子を非常によく吸収します。光子のエネルギー準位は、電子位置間のさまざまなエネルギー差に適合します。電波は、より大きな原子の軌道間で電子を移動させるのに十分なエネルギーを持っていないため、ほとんどのものを通過します。X線フォトンもほとんどのものを通過しますが、逆の理由で、エネルギーが多すぎます。
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その他のX線の使用
X線技術の最も重要な貢献は医学の世界にありますが、X線は他の多くの分野でも重要な役割を果たしてきました。 X線は、量子力学理論、結晶学、宇宙論を含む研究において極めて重要です。産業界では、重金属機器の微細な欠陥を検出するためにX線スキャナーがよく使用されます。もちろん、X線スキャナーは空港のセキュリティの標準装備になってい
ます。
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ただし、電子を原子から完全にノックアウトすることはできます。X線光子からのエネルギーの一部は電子を原子から分離するように働き、残りは電子を宇宙に飛ばします。原子が大きいほど、軌道間のエネルギー差が大きくなるため、この方法でX線光子を吸収する可能性が高くなります。エネルギーレベルは、光子のエネルギーとより厳密に一致します。電子軌道がエネルギーの比較的低いジャンプによって分離されている小さな原子は、X線光子を吸収する可能性が低くなります。
体内の軟部組織は小さな原子で構成されているため、X線光子を特によく吸収しません。骨を構成するカルシウム原子ははるかに大きいので、X線光子の吸収に優れています。
次のセクションでは、X線装置がこの効果をどのように機能させるかを見ていきます。
X線装置
X線装置の心臓部は、ガラス製の真空管の内部にある電極のペア（カソードとアノード）です。陰極は、古い蛍光灯に見られるように、加熱されたフィラメントです。機械はフィラメントに電流を流し、フィラメントを加熱します。熱はフィラメント表面から電子を飛散させます。正に帯電したアノード、タングステン製のフラットディスクは、チューブ全体に電子を引き込みます。
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陰極と陽極の電圧差が非常に大きいため、電子は大きな力で管内を飛んでいきます。スピード違反の電子がタングステン原子と衝突すると、原子の下部軌道の1つで電子をノックアウトします。より高い軌道にある電子はすぐにより低いエネルギーレベルに落ち、光子の形でその余分なエネルギーを放出します。それは大きな低下なので、光子は高いエネルギーレベルを持っています-それはX線光子です。
自由電子はタングステン原子と衝突し、電子をより低い軌道からノックアウトします。より高い軌道の電子が空の位置を満たし、その過剰なエネルギーを光子として放出します。 |
自由電子は、原子にぶつかることなく光子を生成することもできます。原子の原子核は、その進路を変えるのに十分な速さの電子を引き付ける可能性があります。彗星が太陽の周りをむち打つように、電子は原子を通過する速度が上がるにつれて減速し、方向を変えます。この「ブレーキ」作用により、電子はX線光子の形で過剰なエネルギーを放出します。
自由電子はタングステン原子核に引き付けられます。電子が高速で通過すると、原子核はその進路を変えます。電子はエネルギーを失い、X線光子として放出されます。 |
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造影剤
通常のX線写真では、ほとんどの軟組織がはっきりと表示されません。臓器に焦点を合わせたり、循環器系を構成する血管を調べたりするには、医師は造影剤を体内に導入する必要があり
ます。
造影剤は、周囲の組織よりも効果的にX線を吸収する液体です。消化器系と内分泌系の臓器に焦点を合わせるために、患者は造影剤混合物、通常はバリウム化合物を飲み込みます。医師が循環器系の血管やその他の要素を調べたい場合は、患者の血流に造影剤を注入します。 造影剤はしばしば透視室と組み合わせて使用されます 。透視室では、X線が体を通過して蛍光スクリーンに到達し、動画のX線画像を作成します。医師は、透視室を使用して、造影剤が体内を通過するのを追跡することがあります。医師は、動画のX線画像をフィルムやビデオに記録することもできます。 |
X線の生成に伴う衝突の影響が大きいと、大量の熱が発生します。モータは、（電子ビームが常に同じ領域に焦点を当てていない）溶融からそれを維持するためにアノードを回転させます。エンベロープを囲む冷たいオイルバスも熱を吸収します。
メカニズム全体が厚い鉛シールドで囲まれています。これにより、X線がすべての方向に逃げるのを防ぎます。シールドの小さな窓は、X線光子の一部を狭いビームで逃がします。ビームは、患者に向かう途中で一連のフィルターを通過します。
患者の反対側にあるカメラは、患者の体全体を通過するX線光のパターンを記録します。X線カメラは通常のカメラと同じフィルム技術を使用していますが、X線光は可視光の代わりに化学反応を引き起こします。（このプロセスについては、写真フィルムのしくみを参照してください。）
一般的に、医師はフィルム画像をネガとして保持します。つまり、より多くの光にさらされる領域は暗く見え、より少ない光にさらされる領域は明るく見えます。骨などの硬い素材は白く見え、柔らかい素材は黒または灰色に見えます。医師は、X線ビームの強度を変えることで、さまざまな材料に焦点を合わせることができます。
X線はあなたにとって悪いですか？
X線は医学の世界への素晴らしい追加です。彼らは医者に手術なしで患者の内部を覗き見させました。患者を開放するよりも、X線を使用して骨折した骨を見る方がはるかに簡単で安全です。
しかし、X線も有害な場合があります。X線科学の初期には、多くの医師が患者と自分自身を長期間ビームにさらしていました。やがて、医師と患者は放射線障害を発症し始め、医学界は何かがおかしいことに気づきました。
問題は、X線が電離放射線の一形態であるということです。通常の光が原子に当たると、原子を大きく変えることはできません。しかし、X線が原子に当たると、電子が原子からノックオフされて、電荷を帯びた原子であるイオンが生成される可能性があります。次に、自由電子が他の原子と衝突して、より多くのイオンを生成します。
イオンの電荷は、細胞内で不自然な化学反応を引き起こす可能性があります。とりわけ、電荷はDNA鎖を切断する可能性があります。DNAの鎖が壊れた細胞は死ぬか、DNAが突然変異を起こします。多くの細胞が死ぬと、体はさまざまな病気を発症する可能性があります。DNAが変異すると、細胞が癌化し、この癌が広がる可能性があります。突然変異が精子または卵細胞にある場合、先天性欠損症につながる可能性があります。これらすべてのリスクがあるため、今日、医師はX線を控えめに使用しています。
これらのリスクがあっても、X線スキャンは依然として手術よりも安全なオプションです。X線装置は、医学における非常に貴重なツールであると同時に、セキュリティおよび科学研究における資産でもあります。それらは本当にこれまでで最も有用な発明の1つです。
X線およびX線装置の詳細については、次のページのリンクを確認してください。
