Как работает рентген

Галерея изображений современной медицины © iStockphoto.com /Mostly Mozart Рентгеновская технология позволяет нам заглянуть внутрь человеческого тела с 1895 года. См. другие изображения современной медицины .

Как и многие другие монументальные открытия человечества, рентгеновская технология была изобретена совершенно случайно. В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген сделал это открытие, экспериментируя с электронными пучками в газоразрядной трубке . Рентген заметил, что флуоресцентный экран в его лаборатории начинал светиться при включении электронного луча. Этот ответ сам по себе не был таким уж удивительным — флуоресцентный материал обычно светится в ответ на электромагнитное излучение — но трубка Рентгена была окружена тяжелым черным картоном. Рентген предположил, что это заблокировало бы большую часть излучения.

Между трубкой и экраном Рентген помещал различные предметы, и экран продолжал светиться. 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.

1. Что такое рентген?
2. Рентгеновский аппарат
3. Рентгеновские лучи вредны для вас?

Рентгеновские лучи в основном аналогичны лучам видимого света. Оба являются волнообразными формами электромагнитной энергии , переносимой частицами, называемыми фотонами (подробности см. в разделе «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 определенной длине волны видимого света, но не к более короткой длине волны рентгеновских волн с более высокой энергией или к более длинной длине волны радиоволн с более низкой энергией .

Фотоны видимого света и фотоны рентгеновского излучения производятся движением электронов 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 может поглотить энергию фотона, подняв электрон на более высокий уровень. Чтобы это произошло, уровень энергии фотона должен соответствовать разнице 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 работает на отделение 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 — энергетический уровень более точно соответствует энергии фотона. Меньшие атомы, в которых электронные орбитали разделены относительно небольшими скачками энергии, с меньшей вероятностью поглощают фотоны рентгеновского излучения.

Мягкие ткани в вашем теле состоят из более мелких атомов и поэтому не особенно хорошо поглощают фотоны рентгеновского излучения. Атомы кальция, из которых состоят ваши кости, намного крупнее, поэтому они лучше поглощают фотоны рентгеновского излучения .

В следующем разделе мы увидим, как рентгеновские аппараты реализуют этот эффект.

Сердцем рентгеновского аппарата является пара электродов – катод и анод, которые находятся внутри стеклянной вакуумной трубки . Катод представляет собой нагретую 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 из вольфрама , притягивает электроны через трубку.

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 свою лишнюю энергию в виде фотона. Это большая капля, поэтому у фотона высокий энергетический уровень — это рентгеновский фотон.

Свободный электрон сталкивается с атомом вольфрама, выбивая электрон с более низкой орбитали. Электрон с более высокой орбитой заполняет пустую позицию, высвобождая свою избыточную энергию в виде фотона.

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.

Свободный электрон притягивается к ядру атома вольфрама. Когда электрон пролетает мимо, ядро ​​меняет свой курс. Электрон теряет энергию, которую он испускает 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). Холодная масляная ванна, окружающая оболочку, 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 серию фильтров на пути к пациенту.

Камера 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 как негатив . То есть области, которые подвергаются большему количеству света, кажутся темнее, а области, которые подвергаются меньшему количеству 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.

Рентген — прекрасное дополнение к миру медицины; они позволяют врачам заглянуть внутрь пациента вообще без хирургического вмешательства. Гораздо проще и безопаснее осмотреть сломанную кость с помощью рентгена, чем вскрывать пациента.

Но рентгеновские лучи могут быть и вредными. На заре рентгеновской науки многие врачи подвергали пациентов и самих себя воздействию лучей в течение длительного периода времени. В конце концов, у врачей и пациентов начала развиваться лучевая болезнь , и медицинское сообщество поняло, что что-то не так.

Проблема в том, что рентгеновские лучи являются формой ионизирующего излучения . Когда обычный свет падает на атом, он не может существенно изменить атом. Но когда рентгеновский луч попадает на атом, он может выбить электроны из атома, чтобы создать ион , электрически заряженный атом. Затем свободные электроны сталкиваются с другими атомами, создавая 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 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. Они действительно являются одним из самых полезных изобретений всех времен.

Для получения дополнительной информации о рентгеновских снимках и рентгеновских аппаратах перейдите по ссылкам на следующей странице.

Статьи по Теме

• Окончательная викторина человеческого тела
  
• Как работает свет
• Как работают атомы
• Как работает МРТ
• Как работает ядерная медицина
• Как работает ультразвук
• Опасны ли для здоровья определенные частоты радиоволн?
• Как глубоко ультрафиолет проникает в организм?

Больше отличных ссылок

• Рентгеновские лучи: другая форма света
• Недорогой рентгеновский аппарат
• Взаимодействие излучения с веществом
• Генерация и свойства рентгеновских лучей
• Обзор рентгеновской компьютерной томографии
• Эксперт по радиации предупреждает об опасности чрезмерного использования медицинских рентгеновских лучей