Som med många av mänsklighetens monumentala upptäckter, Röntgenteknik uppfanns helt av en slump. År 1895, en tysk fysiker vid namn Wilhelm Roentgen gjorde upptäckten medan han experimenterade med elektronstrålar i en gasurladdningsrör . Roentgen märkte att en fluorescerande skärm i hans labb började lysa när elektronstrålen slogs på. Detta svar i sig var inte så överraskande - fluorescerande material lyser normalt i reaktion på elektromagnetisk strålning - men Roentgens rör var omgivet av tung svart kartong. Roentgen antog att detta skulle ha blockerat det mesta av strålningen.
Roentgen placerade olika föremål mellan röret och skärmen, och skärmen lyser fortfarande. Till sist, han lade handen framför röret, och såg silhuetten av hans ben projicerade på den fluorescerande skärmen. Omedelbart efter att ha upptäckt röntgenstrålarna själva, han hade upptäckt deras mest fördelaktiga tillämpning.
Roentgens anmärkningsvärda upptäckt utlöste en av de viktigaste medicinska framstegen i mänsklighetens historia. Röntgenteknik låter läkare se rakt igenom mänsklig vävnad för att undersöka brutna ben, hålrum och svalda föremål med extraordinär lätthet. Modifierade röntgenprocedurer kan användas för att undersöka mjukare vävnad, som lungorna, blodkärl eller tarmar.
I den här artikeln, vi får reda på exakt hur röntgenmaskiner drar bort detta otroliga trick. Som det visar sig, grundprocessen är verkligen väldigt enkel.
Innehåll
Röntgen är i princip samma sak som synliga ljusstrålar. Båda är vågliknande former av elektromagnetisk energi bärs av partiklar som kallas fotoner (se How Light Works för detaljer). Skillnaden mellan röntgenstrålar och synliga ljusstrålar är energinivå av de enskilda fotonerna. Detta uttrycks också som våglängd av strålarna.
Våra ögon är känsliga för den speciella våglängden för synligt ljus, men inte till den kortare våglängden hos röntgenvågor med högre energi eller de längre våglängden hos radiovågorna med lägre energi.
Synliga ljusfotoner och röntgenfoton produceras båda av rörelsen av elektroner i atomer. Elektroner upptar olika energinivåer, eller orbitaler, runt en atomkärna. När en elektron sjunker till en lägre orbital, den behöver släppa ut lite energi - den släpper ut den extra energin i form av en foton. Energinivån i foton beror på hur långt elektronen sjönk mellan orbitaler. (Se denna sida för en detaljerad beskrivning av denna process.)
När en foton kolliderar med en annan atom, atomen kan absorbera fotonens energi genom att öka en elektron till en högre nivå. För att detta ska hända, energinivån hos fotonen måste match energiskillnaden mellan de två elektronpositionerna. Om inte, fotonen kan inte flytta elektroner mellan orbitaler.
Atomerna i din kroppsvävnad absorberar fotoner i synligt ljus mycket bra. Energonivån för fotonet passar med olika energiskillnader mellan elektronpositioner. Radiovågor har inte tillräckligt med energi för att flytta elektroner mellan orbitaler i större atomer, så de passerar igenom det mesta. Röntgenfotoner passerar också genom det mesta, men av motsatt anledning:De har för mycket energi.
Andra röntgenanvändningar
Röntgenteknikens viktigaste bidrag har varit inom medicinens värld, men röntgen har också spelat en avgörande roll i ett antal andra områden. Röntgenstrålar har varit avgörande för forskning som involverar kvantummekanikteori, kristallografi och kosmologi. I den industriella världen, Röntgenskannrar används ofta för att upptäcka små brister i tungmetallutrustning. Och röntgenskannrar har blivit standardutrustning inom flygplatsens säkerhet, självklart.
Dom kan, dock, slå en elektron bort från en atom helt och hållet. En del av energin från röntgenfotonen fungerar för att separera elektronen från atomen, och resten skickar elektronen som flyger genom rymden. En större atom är mer benägna att absorbera en röntgenfoton på detta sätt, eftersom större atomer har större energiskillnader mellan orbitaler - energinivån stämmer mer överens med fotonens energi. Mindre atomer, där elektronorbitalerna separeras av relativt låga energihopp, är mindre benägna att absorbera röntgenfoton.
Mjukvävnaden i din kropp består av mindre atomer, och absorberar därför inte röntgenfotoner särskilt bra. Kalciumatomerna i dina ben är mycket större, så de är bättre på absorberande röntgenfotoner .
I nästa avsnitt, vi får se hur röntgenmaskiner får denna effekt att fungera.
Hjärtat i en röntgenmaskin är en elektrodpar - en katod och en anod- som sitter inuti en vakuumrör av glas . Katoden är en uppvärmd filament , som du kanske hittar i en äldre lysrör. Maskinen passerar ström genom glödtråden, värmer upp det. Värmen sprutar av elektroner från glödtråden. Den positivt laddade anoden, en platt skiva gjord av volfram , drar elektronerna över röret.
Spänningsskillnaden mellan katoden och anoden är extremt hög, så elektronerna flyger genom röret med stor kraft. När en hastighetselektron kolliderar med en volframatom, den slår loss en elektron i en av atomens nedre orbitaler. En elektron i en högre omlopp faller omedelbart till den lägre energinivån, släpper ut sin extra energi i form av en foton. Det är en stor droppe, så har foton en hög energinivå-det är en röntgenfoton.
Fria elektroner kan också generera fotoner utan att träffa en atom. En atomkärna kan locka till sig en hastighetselektron precis lagom för att ändra dess kurs. Som en komet som piskar runt solen, elektronen saktar ner och ändrar riktning när den farar förbi atomen. Denna "bromsande" åtgärd gör att elektronen avger överskottsenergi i form av en röntgenfoton.
Kontrastmedia
I en anormal röntgenbild, de flesta mjukdelar syns inte tydligt. Tofokus på organ, eller för att undersöka blodkärlen som utgör cirkulationssystemet, läkare måste införa kontrastmedel in i kroppen.
Contrastmedia är vätskor som absorberar röntgenstrålar mer effektivt än omgivande vävnad. Att fokusera organ i matsmältnings- och endokrinesystemen, en patient kommer att svälja en blandning av kontrastmedel, typiskt en bariumförening. Om läkarna vill undersöka blodkärl eller andra element i cirkulationssystemet, de kommer att injicera kontrastmedia i patientens blodomlopp.
Kontrastmedel används ofta tillsammans med en fluoroskop .I fluoroskopi, röntgenstrålarna passerar genom kroppen till en fluorescensskärm, skapa en rörlig röntgenbild. Läkare kan använda fluoroskopi för att spåra passagen av kontrastmedel genom kroppen. Läkare kan också spela in rörliga röntgenbilder på film eller video.
De kraftiga kollisioner som är involverade i röntgenproduktion genererar mycket värme. En motor roterar anoden för att hindra den från att smälta (elektronstrålen är inte alltid fokuserad på samma område). Ett svalt oljebad som omger kuvertet absorberar också värme.
Hela mekanismen är omgiven av en tjock blysköld. Detta hindrar röntgenstrålarna från att fly i alla riktningar. Ett litet fönster i skölden låter några av röntgenfotonerna fly i en smal stråle. Strålen passerar genom en serie filter på väg till patienten.
En kamera på andra sidan patienten registrerar mönstret för röntgenljus som passerar hela vägen genom patientens kropp. Röntgenkameran använder samma filmteknologi som en vanlig kamera, men röntgenljus utlöser den kemiska reaktionen istället för synligt ljus. (Se hur fotografisk film fungerar för att lära dig mer om denna process.)
Rent generellt, läkare behåller filmbilden som en negativ . Det är, de områden som utsätts för mer ljus verkar mörkare och de områden som utsätts för mindre ljus verkar ljusare. Hårt material, såsom ben, verkar vit, och mjukare material verkar svart eller grått. Läkare kan fokusera olika material genom att variera intensiteten hos röntgenstrålen.
Röntgen är ett underbart tillskott till medicinens värld; de lät läkare kika in i en patient utan någon operation alls. Det är mycket lättare och säkrare att titta på ett brutet ben med röntgen än att öppna en patient.
Men röntgen kan också vara skadligt. I de första dagarna av röntgenvetenskap, många läkare skulle utsätta patienter och sig själva för strålarna under långa perioder. Så småningom, läkare och patienter började utvecklas strålsjuka , och det medicinska samfundet visste att något var fel.
Problemet är att röntgen är en form av joniserande strålning . När normalt ljus träffar en atom, den kan inte förändra atomen på något väsentligt sätt. Men när en röntgenstråle träffar en atom, det kan slå elektroner från atomen för att skapa en Jon , en elektriskt laddad atom. Fria elektroner kolliderar sedan med andra atomer för att skapa fler joner.
En jons elektriska laddning kan leda till onaturliga kemiska reaktioner inuti celler. Bland annat, laddningen kan bryta DNA -kedjor. En cell med en trasig DNA -sträng dör antingen eller så utvecklar DNA en mutation. Om många celler dör kroppen kan utveckla olika sjukdomar. Om DNA muterar, en cell kan bli cancerös, och denna cancer kan spridas. Om mutationen finns i en spermie eller en äggcell, det kan leda till fosterskador. På grund av alla dessa risker, läkare använder röntgenstrålar sparsamt idag.
Även med dessa risker, Röntgenskanning är fortfarande ett säkrare alternativ än kirurgi. Röntgenmaskiner är ett ovärderligt verktyg inom medicin, samt en tillgång inom säkerhet och vetenskaplig forskning. De är verkligen en av de mest användbara uppfinningarna genom tiderna.
För mer information om röntgen- och röntgenapparater, kolla in länkarna på nästa sida.
relaterade artiklar
Fler fantastiska länkar
