X光机是如何使身体“透明”的?
X光机是现代医学上非常有用的一个工具,它能让身体“透明”!X光技术让医生可以直接透过病人身体的组织来检查断骨、空腔以及吞下的异物。改良后的X光程序能够用来检查更为柔软的组织,例如肺、血管和肠。
X光与可见光基本是一回事,它们都是由光子来传播的电磁波。而二者的不同在于,各自光子的能级是不同的,也就是说,其表现出来的波长是不同的。
当光子与另外一个原子撞击的时候,原子通过把一个电子升级的方式吸收光子的能量。为此,光子的能级需要与两个电子位置之间的能量差相匹配。如果不是这样的话,光子便不能在轨道之间移动电子。
构成我们身体组织的原子能够很好地吸收可见光的光子。光子的能级正好匹配电子所处位置的能量差。无线电波的能量不足以匹配大多数的原子,所以它们正好能够穿越我们的身体。而X光的光子也不能与我们身体中的原子相匹配,因为它们含有过剩的能量。
X光的光子能够将原子中的一个电子撞击移位。光子中的一部分能量使电子与原子分离,剩下的能量使电子在空间中飞动。大一点儿的原子就是这样吸收X光光子的能量的。小一些的原子因为其电子所处的轨道间的能量差较低,极少吸收X光的光子。
我们身体中柔软些的组织是由小些的原子构成的,所以它们不能有效地阻隔高能量的X光光子。构成骨骼的原子相对大些,所以它们能更好地阻隔X光的光子。
X光机
X光机的核心是一对电极,即阴极与阳极,它们位于一个玻璃真空管中。阴极是一条加热的灯丝,就像旧的荧光灯中的一样。机器通过灯丝输送电流并把灯丝加热,热量把灯丝表面的电子溅射出去。阳极则是一个钨制的轮盘,把电子从管中吸了过来。
阳极与阴极之间的电压差是非常悬殊的,所以电子穿越真空管飞行的力量也很大。当加速的电子与钨原子碰撞时,原子低能量级轨道上的电子会被移位。而处于高能量级轨道上的电子会迅速移到低能量级轨道上,在这个过程中释放出多余的能量会形成一个光子。因为轨道间的能量差别很大,所以形成的这个光子含有的能量很高。这个光子就是X光光子。
知识档案
在人类许多不朽的发现中,X光的发现完全是偶然的。1895年的一天,德国物理学家威廉·伦琴在气体放电管中用电子束做实验。伦琴发现,当他打开电子束的时候,实验室的荧光屏开始闪烁,这明显是电子活动所产生的电磁能而引起的反应。
伦琴将各种不同的物体放置于管子与屏幕之间,屏幕依然在闪烁。最后,他将自己的手放在管子前面,发现手骨的轮廓投映在了荧光屏的上面。
即使电子不撞击原子,它也能够产生光子。原子核能够吸引高速电子使之改变原先的轨道。就好像彗星缠绕太阳一样,电子高速经过原子的时候,它会减速并且改变方向。这个制动的过程让电子丧失一些能量,释放出的能量便形成了一个X光光子。
X光产生过程中猛烈的撞击使X光机内部产生很多的热量。阳极旁边有一个转动的发动机用来防止其熔化。这样,电子束就不会总集中在一个固定的区域。真空玻璃管周围的冷却油也可以吸收热量。
厚厚的铅制遮蔽物包在整个机器的周围。这层遮蔽物防止X光从机器的各个方向发射出去,使能量只能够从一个小小的窗口透出去。X光通过一系列的过滤措施,然后才投射到病人身上。
病人另一侧的照相机将拍摄下穿越病人身体的X光的图像。X光照相机与普通照相机的成像原理是一致的,不同之处在于,X光发射出的并不是可见光,而是化学反应。
阅读X光片
通常,医生将图像保存为底片的形式。曝光较多的部位颜色比较深,而曝光较少的部位颜色较浅。硬的物质如骨头,看起来是白色的,而软的物质,则会显示为黑色或者灰色。医生通过改变X光的强度来观察不同的物质。
X光对人体有害吗
在过去,很多医生会将他们自己和病人长时间暴露在X光下。最终,医生和病人都患上了辐射病,医学界才由此认识到这个错误。
当X光光子照射原子的时候,它使原子中的电子脱离,并形成一个离子和一个带电的粒子。自由的电子再与其他原子相碰撞,就产生了更多的离子。
离子所带的电荷可以导致细胞发生不寻常的化学反应。其中,电荷可以破坏细胞中的DNA链。如果是这样的话,细胞将会死亡,或者DNA将发生变异。如果大量细胞死亡,身体将出现各种疾病。如果DNA发生了变异,细胞可能会癌变,并且将会扩散。如果变异发生在精子或者卵子里,这将会导致胎儿的缺陷。因为这些原因,医生现在很少使用X光。