X射線是光的一種,因此又叫X光。
人們到醫院做透視和CT檢查,就是採用X射線照射,又叫X光。X射線其實就是一種光,但這種光與我們平時瞭解的光不同,它可以透過人體後某些物體,但眼睛卻看不見。
光,實際上就是能量的傳遞,其本質是一種處於特定頻段的光子流。光源發出光,是因為光源中的電子獲得額外能量,在躍遷過程中以波的形式釋放能量。
太陽光、電光、火光都是如此。因此,本質上光又是一種電磁波,是依靠光子傳遞的能量資訊。但光有看得見和看不見的光,人眼在長期進化中,只對波段約380~780nm的頻段感光,因此這個特定頻段的電磁波被稱為可見光。
除了可見光,還有許多人眼看不見的光,如無線電波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線,就屬於看不見的光,這些光都是電磁波譜中的某一個波段和頻率。
這些看不到的光,能量有低有高,可見光處於中間一個波段。比可見光能量低的光,有無線電波(包括長波、中波、短波、微波)、紅外線;比可見光能量高的光,有紫外線、X射線、γ射線。
X射線是僅次於γ射線的電磁波,波長在10奈米~0.01奈米之間,頻率在3^16~3^20赫茲之間,能量為124eV~1.24MeV。這是每一個光子的能量,屬於高能射線,因此穿透力很強。當X光照射人體時,一部分被人體物質吸收,大部分會從原子隙縫穿越透過。
頻率越高波長越短的X光能量越大,穿透能力越強。在穿透物體的過程中,根據物體的密度和厚度,吸收不一樣,因此穿越的X光就有強有弱,這樣就在感光膠片中顯示出被穿越物體的結構來。
X光於1895年被意外發現
說到X射線被發現過程,不得不說一位偉大的科學家家廉·康拉德·倫琴。倫琴1845年出生於德國萊茵州萊耐普城一個較為殷實的小企業主家庭,從小受到良好教育,曾經師從著名的熱力學科學家克勞修斯,1868年受聘為維爾茨堡大學教授。
後來,倫琴幾經輾轉,到過多家大學進行物理學研究,1888年回到維爾茨堡大學,不久接任孔特任物理研究所所長,1894年被選任為該校校長。
19世紀末的歐洲,是科學風起雲湧的時代,歐洲的許多物理學家們都痴迷於研究真空放電現象和陰極射線,倫琴也深陷其中。不過倫琴的研究更為精細,為了防止外界光線對放電管的影響,不讓管內的可見光漏出管外,他把整個房間全部弄黑,還做了個黑色硬紙套子,將放電管嚴嚴實實封閉起來。
但他接通高壓電測試陰極射線時,黑色紙板套沒有露出一絲光,他為自己的傑作感到滿意。可就在這時,他突然發現距離放電管1米外有一點閃光,切斷電源後閃光即消失。那是一個塗有氰化鉑酸鋇的熒光屏,每次開啟電源都會發出微弱的淺綠色閃光!
他很驚奇,他知道這絕不是陰極射線,因為他和許多科學家都透過實驗證實,陰極射線只能在空氣中移動幾個釐米,這已經是定論。他試著把這個熒光屏逐步移得更遠一些,一直到2米距離,依然可以發出閃光。
這時倫琴心裡一陣狂喜,這很可能是一種過去從未發現過的東西,是一種未知的射線!但他現在還不能排除這是不是自己眼睛在黑暗中的錯覺或幻影,因此在此後幾個星期,為了證實這種射線的存在,他把自己關在實驗室裡,一個人默默研究。
因為科學是非常嚴謹的事物,未經證實就嚷嚷有違科學精神,因此他誰也沒有告訴。
他在實驗室安放了一張小床,叫人將飲食送過來。就這樣,他吃住在實驗室,這樣可以讓實驗儀器不中斷,保持測試的連續性。為了排除視力的錯覺,他採用感光板記錄下這些奇怪的光。後來他又用紙、書和木板隔在感光板中間,這些射線不屈不撓的穿越而過,這些好像對它都是透明的。
當他覺得這種新發現的光已經確信無疑,已經過去了7個星期了。1895年12月22日晚上,他說服了自己的夫人來當實驗物件,當他夫人將自己帶有戒指地伸向熒光屏時,令人震驚而奇異的現象出現了,倫琴夫人看到一隻瘦骨嶙峋的手,再仔細一看,那不是手,而是一個個骨節。
夫人不敢相信,這就是自己的手?但在影子的無名指骨節上,分明有一個戒指,與自己戒指戴的位置一點都沒有偏差!倫琴夫人被自己的手嚇住了,要知道那個年代還有誰看到過這種影像?只有死人的白骨才會這樣。
而這是人類第一張X光照得的人體照片!倫琴異常激動地擁抱了夫人。終於證實了,這是一種前所未有的光,能夠穿透肉體的光。
倫琴的發現轟動了世界
1895年12月28日,倫琴將自己的論文《一種新的射線,初步報告》提交給了維爾茨堡物理學醫學學會,裡面他用“X”符號給這種射線命名。他說,當我發現這種現象時,是那麼的奇異和驚人,我把自己弄得精疲力盡,一而再再而三地做同一實驗,以排除錯覺或幻影,幾個星期,我不想讓任何其他事情干擾我的實驗。
倫琴是個低調的人,但1896年1月23日,他在自己的研究所舉行了他一生唯一一次報告會,公佈了自己的發現。報告會上,倫琴請求維爾茨堡大學著名解剖學家克里克爾,伸出自己的手讓他當場用X射線拍攝,克里克爾欣然同意。當拍好的幹板經過顯影,出現一位八十歲老人優美的手骨時,全場掌聲雷動,爆發出歡呼。
克里克爾立即激動地提出建議,將這種射線命名為“倫琴射線”。後來人們又把X射線和γ射線的照射劑量單位稱為“倫琴”。從此倫琴的發現傳遍了世界,引起了世界從未有過的巨大轟動。
所有的研究機構都爭相仿造倫琴的實驗裝置,重複他的實驗,當然,真正的科學成果是經得起任何複製的。X射線一時風靡全球,成為一種時尚。
有人用X射線合影,以照出骨骼造型為時髦,甚至買鞋商人也以此促銷,用X光照射試鞋。人們那個時候還根本不知道X射線的危害,以為這就是上天帶給人類的奇妙感受。
最早開發出X光引用的是醫學,這就是透視技術。人們透過X光照射,可以看到本應透過解剖才能看到的病變,為無數人更好地解除了病痛。當時英國著名外科醫生托馬斯·亨利將X射線稱為“診斷史上的一個最大的里程碑”。
倫琴以他敏銳的視角,嚴謹一絲不苟的科學態度,才讓X射線得以發現,從此讓人類的生活發生了深刻變化。由於倫琴的巨大貢獻,1901年,他獲得了人類科學史上首個諾貝爾物理學獎。
但倫琴一生都保持低調,他沒有將自己的發明申請專利,也拒絕了德皇威廉二世授予他的貴族稱號,依然以一個普通人身份默默地耕耘著自己的科學,在光電、熱力、電磁等許多領域取得了成就,一生獲獎150多項,但都被X射線發現的光芒掩蓋了。
1923年2月10日,倫琴在慕尼黑逝世,但他的精神與世長存。
科學是中性的雙刃劍
X射線的發現,給了這個世界很大刺激,人們沉浸在發現的狂喜中,將X光廣泛運用於社會生活各種場合。開始,人們根本沒有別人覺察到這種射線的危害,隨著X射線的濫用,其危害才逐步顯示出來。
1896年1月末,美國人格魯伯在製造X射線管和進行X射線實驗時,受到射線傷害,最終手指和手掌部分被切除;1896年3月,美國人埃迪森同樣是在製作X射線透視裝置時,感到眼疼,隨後發生了結膜炎;1896年4月,還是美國人丹尼爾在用X射線照射頭顱中異物位置時,發現了X射線對頭髮會有損傷脫落;1896年7月,德國人馬修斯對X射線透視引起的脫毛和皮炎進行了記述。
但人們依然沒有意識到嚴重性,甚至有人利用X射線大劑量照射,為女性去除體毛,後來這些女性面板不同程度的出現了皺紋、色斑、感染、潰爛和面板癌;1930年~1960年,醫學界將X射線透視當做最時髦的診斷和治療手段,一些病人由於受到高劑量的積累照射,誘發了白血病、骨腫瘤、肝癌等惡性腫瘤。
事實上,X射線的發現者倫琴,同時也是X射線的受害者,由於其多年暴露在X射線下,最終以多發性內臟癌症而逝世。同樣一生與放射性元素打交道的諾貝爾獎獲得者居里夫人,也因輻射而罹患癌症逝世(上圖為居里夫婦)。
一直到上世紀六十年代後,隨著越來越多的X射線傷害事件發生,人們才真正認識到這種射線的危害,開始注意做好防護,並在安全劑量中使用。
輻射劑量單位
現在,X射線廣泛地用於社會各個方面,尤其是醫學和工業探傷等方面起著巨大作用。那麼人類接受多少X射線照射劑量是安全的呢?
要說清楚這個問題,我們首先要了解一下輻射的劑量單位。輻射計量單位主要有:R(倫琴)、rem(雷姆)、Sv(西弗)、mSv(毫西弗)、μSv(微西弗)等,現在一般常用的Sv、mSv、μSv。
Sv是比較大的單位,1Sv照射就表示人體組織吸收1Gy(戈瑞)的輻射,也是得到1J/kg(焦耳/千克)的輻射,這種輻射劑量是非常大的,相當於廣島原子彈爆炸後倖存者們受到的照射劑量。
照射劑量單位並不僅僅是指X射線輻射,也包括其他的輻射,如γ射線等,是通用統一的。這些高能射線能量高,能夠穿透生物機體,打斷DNA分子鍵,破壞甚至殺死細胞,導致機體受損,大劑量照射甚至導致立刻死亡。
這些計量單位之間的關係是:0.01Sv(西弗)=1R(倫琴)=1rem(雷姆)=10mSv(豪西弗)=10,000μSv(微西弗)。
輻射的安全劑量和致死量
其實在我們周圍,輻射無處不在。經聯合國原子輻射效應科學委員會調查,綜合世界範圍各地受到的天然照射,平均每個成年人每年受到的天然輻射劑量約為2.4mSv。這2.4mSv中,包括宇宙射線0.4mSv、地面γ射線0.5mSv(外照射)、吸入(主要是氡)1.2mSv、食入0.3mSv(內照射)。
研究認為,人體一次接受了4.5Sv的照射為半致死量,也就是死亡率約為50%,這個量相當連續做300~400次CT的檢查的量;一次接受6Sv的照射,死亡率幾乎為100%。長期觀測研究認為,人體每年受到的X射線照射不超過50mSv,是在安全承受範圍內。
人們在醫院接受X光機或CT檢查,也是受著X射線的照射,這種照射根據部位不同,每次照射受到的輻射劑量在0.01~15mSv之間;而宇航員們在太空,即便有各種防護,所受到的輻射也是地面的100~200倍;而每天吸菸1包的人,受到的輻射量每年約10~50mSv,相當照射了50次胸片,相當不吸菸的人5~20年的受到的輻射量。
生活中,有可能遇到許多輻射環境,大家一定要注意做好防範,這樣才能將射線這個科學雙刃劍用好,為人類文明進步服務。感謝閱讀,歡迎討論。
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