Sådan fungerer røntgenstråler

Moderne medicin billedgalleri


© iStockphoto.com/Mest Mozart
Røntgenteknologi har givet os mulighed for at se inde i menneskekroppen siden 1895. Se mere moderne medicinbilleder.

Som med mange af menneskehedens monumentale opdagelser, Røntgenteknologi blev opfundet helt ved et uheld. I 1895, en tysk fysiker ved navn Wilhelm Roentgen gjorde opdagelsen, mens han eksperimenterede med elektronstråler i en gasudladningsrør . Roentgen bemærkede, at en fluorescerende skærm i hans laboratorium begyndte at lyse, da elektronstrålen blev tændt. Dette svar i sig selv var ikke så overraskende - fluorescerende materiale lyser normalt i reaktion på elektromagnetisk stråling - men Roentgens rør var omgivet af tung sort pap. Roentgen antog, at dette ville have blokeret det meste af strålingen.

Roentgen placerede forskellige genstande mellem røret og skærmen, og skærmen glødede stadig. Endelig, han lagde hånden foran røret, og så silhuetten af ​​hans knogler projiceret på den fluorescerende skærm. Umiddelbart efter at have opdaget røntgenstrålerne selv, han havde opdaget deres mest fordelagtige anvendelse.

Roentgens bemærkelsesværdige opdagelse udløste en af ​​de vigtigste medicinske fremskridt i menneskets historie. Røntgenteknologi lader læger se lige igennem menneskeligt væv for at undersøge knækkede knogler, hulrum og slugte genstande med ekstraordinær lethed. Modificerede røntgenprocedurer kan bruges til at undersøge blødere væv, såsom lungerne, blodkar eller tarmene.

I denne artikel, vi finder ud af præcis, hvordan røntgenmaskiner fjerner dette utrolige trick. Det viser sig, den grundlæggende proces er virkelig meget enkel.

Indhold

1. Hvad er en røntgenstråle?
2. Røntgenmaskinen
3. Er røntgenstråler dårlige for dig?

Hvad er en røntgenstråle?

Røntgenstråler er dybest set det samme som synlige lysstråler. Begge er bølgelignende former for elektromagnetisk energi båret af partikler kaldet fotoner (se Sådan fungerer lys for detaljer). Forskellen mellem røntgenstråler og synlige lysstråler er energiniveau af de enkelte fotoner. Dette udtrykkes også som bølgelængde af strålerne.

Vores øjne er følsomme over for den særlige bølgelængde af synligt lys, men ikke til den kortere bølgelængde af røntgenbølger med højere energi eller radiobølger med lavere energi.

Synlige lysfotoner og røntgenfotoner produceres begge ved bevægelse af elektroner i atomer. Elektroner indtager forskellige energiniveauer, eller orbitaler, omkring atomets kerne. Når en elektron falder til en lavere orbital, den skal frigive noget energi - den frigiver den ekstra energi i form af en foton. Fotonets energiniveau afhænger af, hvor langt elektronen faldt mellem orbitaler. (Se denne side for en detaljeret beskrivelse af denne proces.)

Når en foton kolliderer med et andet atom, atomet kan absorbere fotonens energi ved at booste en elektron til et højere niveau. For at dette kan ske, fotonets energiniveau skal match energiforskellen mellem de to elektronpositioner. Hvis ikke, fotonet kan ikke flytte elektroner mellem orbitaler.

Atomer, der udgør dit kropsvæv, absorberer fotoner i synligt lys meget godt. Fotonets energiniveau passer til forskellige energiforskelle mellem elektronpositioner. Radiobølger har ikke nok energi til at flytte elektroner mellem orbitaler i større atomer, så de passerer de fleste ting. Røntgenfotoner passerer også det meste, men af ​​den modsatte årsag:De har for meget energi.

Andre røntgenanvendelser
De vigtigste bidrag fra røntgenteknologi har været inden for medicin, men røntgenstråler har også spillet en afgørende rolle i en række andre områder. Røntgenstråler har været afgørende for forskning, der involverer kvantummekanikteori, krystallografi og kosmologi. I den industrielle verden, Røntgenscannere bruges ofte til at opdage små fejl i tungt metaludstyr. Og røntgenskannere er blevet standardudstyr inden for lufthavnssikkerhed, selvfølgelig.

De kan, imidlertid, Slå en elektron helt væk fra et atom. Noget af energien fra røntgenfotonen virker til at adskille elektronen fra atomet, og resten sender elektronen flyvende gennem rummet. Et større atom er mere tilbøjeligt til at absorbere et røntgenfoton på denne måde, fordi større atomer har større energiforskelle mellem orbitaler - energiniveauet matcher tættere fotonets energi. Mindre atomer, hvor elektronorbitalerne er adskilt af relativt lave spring i energi, er mindre tilbøjelige til at absorbere røntgenfotoner.

Det bløde væv i din krop består af mindre atomer, og absorberer derfor ikke røntgenfotoner særlig godt. Calciumatomer, der udgør dine knogler, er meget større, så de er bedre til absorberende røntgenfotoner .

I det næste afsnit, vi vil se, hvordan røntgenmaskiner får denne effekt til at fungere.

Røntgenmaskinen

Hjertet i en røntgenmaskine er en elektrodepar - en katode og en anode- der sidder inde i en vakuumrør i glas . Katoden er en opvarmet filament , som du måske finder i en ældre lysstofrør. Maskinen passerer strøm gennem glødetråden, varme det op. Varmen sprøjter elektroner af filamentoverfladen. Den positivt ladede anode, en flad skive lavet af wolfram , trækker elektronerne hen over røret.

Spændingsforskellen mellem katoden og anoden er ekstremt høj, så elektronerne flyver gennem røret med stor kraft. Når en hastighedselektron kolliderer med et wolframatom, den slår en elektron løs i en af ​​atomets nedre orbitaler. En elektron i en højere kredsløb falder straks til det lavere energiniveau, frigiver sin ekstra energi i form af en foton. Det er et stort fald, så fotonet har et højt energiniveau-det er en røntgenfoton.

Den frie elektron kolliderer med wolframatomet, slår en elektron ud af en lavere orbital. En højere orbitalelektron fylder den tomme position, frigiver sin overskydende energi som en foton.

Gratis elektroner kan også generere fotoner uden at ramme et atom. Et atomkerne kan tiltrække en elektron i hastighed lige nok til at ændre dets forløb. Som en komet, der pisker rundt i solen, elektronen sænker farten og ændrer retning, når den suser forbi atomet. Denne "bremse" handling får elektronen til at udsende overskydende energi i form af et røntgenfoton.

Den frie elektron tiltrækkes af wolframatomkernen. Da elektronen hastigheder forbi, kernen ændrer sin kurs. Elektronen mister energi, som den frigiver som en røntgenfoton.

Kontrastmedier
På et anormalt røntgenbillede, de fleste bløde væv vises ikke tydeligt. Tofokus på organer, eller for at undersøge de blodkar, der udgør kredsløbssystemet, læger skal indføre kontrastmedier ind i kroppen.

Contrastmedia er væsker, der absorberer røntgenstråler mere effektivt end det omgivende væv. At bringe organer i fordøjelses- og endokrinesystemerne i fokus, en patient vil sluge en blanding af kontrastmedier, typisk en bariumforbindelse. Hvis lægerne vil undersøge blodkar eller andre elementer i kredsløbssystemet, de vil injicere kontrastmedier i patientens blodbaner.

Kontrastmedier bruges ofte sammen med en fluoroskop .I fluoroskopi, røntgenstrålerne passerer gennem kroppen på en fluorescensskærm, skabe et bevægeligt røntgenbillede. Læger kan bruge fluoroskopi til at spore kontrastmediers passage gennem kroppen. Læger kan også optage de bevægelige røntgenbilleder på film eller video.

De kraftige kollisioner involveret i røntgenproduktion genererer meget varme. En motor roterer anoden for at forhindre den i at smelte (elektronstrålen er ikke altid fokuseret på det samme område). Et køligt oliebad omkring konvolutten absorberer også varme.

Hele mekanismen er omgivet af et tykt blyskærm. Dette forhindrer røntgenstrålerne i at slippe ud i alle retninger. Et lille vindue i skjoldet lader nogle af røntgenfotoner flygte i en smal stråle. Strålen passerer gennem en række filtre på vej til patienten.

Et kamera på den anden side af patienten registrerer det mønster af røntgenlys, der passerer hele vejen gennem patientens krop. Røntgenkameraet bruger den samme filmteknologi som et almindeligt kamera, men røntgenlys udsætter den kemiske reaktion i stedet for synligt lys. (Se hvordan fotografisk film fungerer for at lære mere om denne proces.)

Generelt, læger beholder filmbilledet som en negativ . Det er, de områder, der udsættes for mere lys, virker mørkere, og de områder, der udsættes for mindre lys, ser lysere ud. Hårdt materiale, såsom knogler, fremstår hvid, og blødere materiale fremstår sort eller gråt. Læger kan bringe forskellige materialer i fokus ved at variere intensiteten af ​​røntgenstrålen.

Er røntgenstråler dårlige for dig?

Røntgenbilleder er en vidunderlig tilføjelse til medicinens verden; de lod læger kigge inde i en patient uden nogen som helst operation. Det er meget lettere og mere sikkert at se på en brudt knogle ved hjælp af røntgenstråler, end det er at åbne en patient op.

Men røntgenstråler kan også være skadelige. I de tidlige dage af røntgenvidenskab, mange læger ville udsætte patienter og sig selv for bjælkerne i lange perioder. Til sidst, læger og patienter begyndte at udvikle sig strålingssygdom , og det medicinske samfund vidste, at der var noget galt.

Problemet er, at røntgenstråler er en form for ioniserende stråling . Når normalt lys rammer et atom, det kan ikke ændre atomet på nogen væsentlig måde. Men når en røntgenstråle rammer et atom, det kan slå elektroner af atomet for at skabe et ion , et elektrisk ladet atom. Frie elektroner kolliderer derefter med andre atomer for at skabe flere ioner.

En ion elektrisk ladning kan føre til unaturlige kemiske reaktioner inde i celler. Blandt andet, ladningen kan bryde DNA -kæder. En celle med en brudt DNA -streng dør enten, eller DNA'et udvikler en mutation. Hvis mange celler dør, kroppen kan udvikle forskellige sygdomme. Hvis DNA'et muterer, en celle kan blive kræft, og denne kræft kan spredes. Hvis mutationen er i en sædcelle eller en ægcelle, det kan føre til fosterskader. På grund af alle disse risici, læger bruger røntgenstråler sparsomt i dag.

Selv med disse risici, Røntgenscanning er stadig en sikrere løsning end kirurgi. Røntgenmaskiner er et uvurderligt værktøj inden for medicin, samt et aktiv inden for sikkerhed og videnskabelig forskning. De er virkelig en af ​​de mest nyttige opfindelser nogensinde.

For mere information om røntgen- og røntgenapparater, tjek linkene på den næste side.

Masser mere information

relaterede artikler

• The Ultimate Human Body Quiz
  
• Sådan fungerer lys
• Sådan fungerer atomerne
• Sådan fungerer MR
• Sådan fungerer nuklearmedicin
• Sådan fungerer ultralyd
• Udgør visse radiobølgefrekvenser sundhedsrisici?
• Hvor langt trænger ultraviolet lys ind i kroppen?

Flere store links

• Røntgenstråler:En anden form for lys
• En billig røntgenmaskine
• Strålingens interaktion med stof
• Generering og egenskaber af røntgenstråler
• Oversigt over røntgencomputeret tomografi
• Stråleekspert advarer om fare ved overforbrug af medicinske røntgenstråler