X射線有什么作用？一文盤點X射線的發(fā)明、危害與應(yīng)用

人們到醫(yī)院做透視和CT檢查，就是采用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了解的光不同，它可以透過人體后某些物體，但眼睛卻看不見。

X射線有什么作用？一文盤點X射線的發(fā)明、危害與應(yīng)用

光，實際上就是能量的傳遞，其本質(zhì)是一種處于特定頻段的光子流。光源發(fā)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(zhì)上光又是一種電磁波，是依靠光子傳遞的能量信息。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，就屬于看不見的光，這些光都是電磁波譜中的某一個波段和頻率。

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這些看不到的光，能量有低有高，可見光處于中間一個波段。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射線是僅次于γ射線的電磁波，波長在10納米~0.01納米之間，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，屬于高能射線，因此穿透力很強。當X光照射人體時，一部分被人體物質(zhì)吸收，大部分會從原子隙縫穿越透過。

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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(jù)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(jié)構(gòu)來。

X光于1895年被意外發(fā)現(xiàn)

說到X射線被發(fā)現(xiàn)過程，不得不說一位偉大的科學家家廉·康拉德·倫琴。倫琴1845年出生于德國萊茵州萊耐普城一個較為殷實的小企業(yè)主家庭，從小受到良好教育，曾經(jīng)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。

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后來，倫琴幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)，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，是科學風起云涌的時代，歐洲的許多物理學家們都癡迷于研究真空放電現(xiàn)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(nèi)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?zhí)鬃樱瑢⒎烹姽車绹缹崒嵎忾]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，他為自己的杰作感到滿意。可就在這時，他突然發(fā)現(xiàn)距離放電管1米外有一點閃光，切斷電源后閃光即消失。那是一個涂有氰化鉑酸鋇的熒光屏，每次打開電源都會發(fā)出微弱的淺綠色閃光！

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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通過實驗證實，陰極射線只能在空氣中移動幾個厘米，這已經(jīng)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(fā)出閃光。

這時倫琴心里一陣狂喜，這很可能是一種過去從未發(fā)現(xiàn)過的東西，是一種未知的射線！但他現(xiàn)在還不能排除這是不是自己眼睛在黑暗中的錯覺或幻影，因此在此后幾個星期，為了證實這種射線的存在，他把自己關(guān)在實驗室里，一個人默默研究。

因為科學是非常嚴謹?shù)氖挛铮唇?jīng)證實就嚷嚷有違科學精神，因此他誰也沒有告訴。

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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(xù)性。為了排除視力的錯覺，他采用感光板記錄下這些奇怪的光。后來他又用紙、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(fā)現(xiàn)的光已經(jīng)確信無疑，已經(jīng)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對象，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(xiàn)象出現(xiàn)了，倫琴夫人看到一只瘦骨嶙峋的手，再仔細一看，那不是手，而是一個個骨節(jié)。

夫人不敢相信，這就是自己的手？但在影子的無名指骨節(jié)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。終于證實了，這是一種前所未有的光，能夠穿透肉體的光。

倫琴的發(fā)現(xiàn)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(yī)學學會，里面他用“X”符號給這種射線命名。他說，當我發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象時，是那么的奇異和驚人，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。

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倫琴是個低調(diào)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，公布了自己的發(fā)現(xiàn)。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。當拍好的干板經(jīng)過顯影，出現(xiàn)一位八十歲老人優(yōu)美的手骨時，全場掌聲雷動，爆發(fā)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”。后來人們又把X射線和γ射線的照射劑量單位稱為“倫琴”。從此倫琴的發(fā)現(xiàn)傳遍了世界，引起了世界從未有過的巨大轟動。

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所有的研究機構(gòu)都爭相仿造倫琴的實驗設(shè)備，重復(fù)他的實驗，當然，真正的科學成果是經(jīng)得起任何復(fù)制的。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(fā)出X光引用的是醫(yī)學，這就是透視技術(shù)。人們通過X光照射，可以看到本應(yīng)通過解剖才能看到的病變，為無數(shù)人更好地解除了病痛。當時英國著名外科醫(yī)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，嚴謹一絲不茍的科學態(tài)度，才讓X射線得以發(fā)現(xiàn)，從此讓人類的生活發(fā)生了深刻變化。由于倫琴的巨大貢獻，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(diào)，他沒有將自己的發(fā)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(lǐng)域取得了成就，一生獲獎150多項，但都被X射線發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，給了這個世界很大刺激，人們沉浸在發(fā)現(xiàn)的狂喜中，將X光廣泛運用于社會生活各種場合。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。

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1896年1月末，美國人格魯伯在制造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制作X射線透視裝置時，感到眼疼，隨后發(fā)生了結(jié)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(fā)現(xiàn)了X射線對頭發(fā)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，后來這些女性皮膚不同程度的出現(xiàn)了皺紋、色斑、感染、潰爛和皮膚癌；1930年~1960年，醫(yī)學界將X射線透視當做最時髦的診斷和治療手段，一些病人由于受到高劑量的積累照射，誘發(fā)了白血病、骨腫瘤、肝癌等惡性腫瘤。

事實上，X射線的發(fā)現(xiàn)者倫琴，同時也是X射線的受害者，由于其多年暴露在X射線下，最終以多發(fā)性內(nèi)臟癌癥而逝世。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，也因輻射而罹患癌癥逝世（上圖為居里夫婦）。

一直到上世紀六十年代后，隨著越來越多的X射線傷害事件發(fā)生，人們才真正認識到這種射線的危害，開始注意做好防護，并在安全劑量中使用。

輻射劑量單位

現(xiàn)在，X射線廣泛地用于社會各個方面，尤其是醫(yī)學和工業(yè)探傷等方面起著巨大作用。那么人類接受多少X射線照射劑量是安全的呢？

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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(xiàn)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，相當于廣島原子彈爆炸后幸存者們受到的照射劑量。

照射劑量單位并不僅僅是指X射線輻射，也包括其他的輻射，如γ射線等，是通用統(tǒng)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(guān)系是：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(jīng)聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學委員會調(diào)查，綜合世界范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(nèi)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(xù)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，是在安全承受范圍內(nèi)。

人們在醫(yī)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(jù)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；而每天吸煙1包的人，受到的輻射量每年約10~50mSv，相當照射了50次胸片，相當不吸煙的人5~20年的受到的輻射量。

那么，X射線除了在醫(yī)學領(lǐng)域，還有哪些應(yīng)用呢？

X射線首次被用來繪制黑洞周圍的圖像

研究人員首次使用X射線繪制了黑洞周圍的地圖。在供料過程中，黑洞吞噬的等離子體被加熱到令人難以置信的溫度，并開始在電磁光譜的X射線部分發(fā)光。這些X射線在劇烈扭曲的區(qū)域反彈，使得研究人員能夠利用這個特殊的信號來重建超大質(zhì)量黑洞周圍時空的幾何結(jié)構(gòu)。

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研究黑洞附近的區(qū)域不是件容易的事。從它們的本質(zhì)上來說，黑洞會吞噬光，所以唯一的辦法就是間接地觀察它對其他物體的影響而不是它本身。去年4月，我們拍攝了有史以來第一張照片（或者至少是它的活動視界，在它被黑洞吞噬之前最后一束光可以被看到的懸崖），但是它需要一個地球大小的天文臺——視界望遠鏡來完成。現(xiàn)在，研究者們第一次用X射線來繪制黑洞周圍的地圖。

X射線還將用于深空通信

深空通信的一個重要應(yīng)用場合就是空間中衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的通信，以及衛(wèi)星和航天器之間的通信。當前承擔深空通信任務(wù)的，主要是無線電通信技術(shù)及日趨成熟的激光通信技術(shù)。中國科學院西安光學精密機械研究所助理研究員蘇桐告訴科技日報記者，目前深空無線電通信正朝著實現(xiàn)30GHz到300GHz的載波頻率方向努力，也就是毫米波通信方向。

X射線有什么作用？一文盤點X射線的發(fā)明、危害與應(yīng)用

生活中，手機信號這種無線電波的波長一般是厘米級的，而X射線的波長是納米級的。載波頻率越高，能容納的信號帶寬就越大。X射線比無線電波的頻率要高7到8個量級，因此X射線通信比無線電波的理論傳輸容量更大。

隨著技術(shù)不斷成熟，人們逐漸意識到，X射線不僅能被用于醫(yī)療或工業(yè)領(lǐng)域，也能被用于通信領(lǐng)域。

NASA研究人員稱，若X射線通信試驗成功，深空每秒千兆比特的高速數(shù)據(jù)傳輸有望成為現(xiàn)實。

打個比方，如果將通信載波比作一條高速公路，那么通信帶寬就可以被看作是公路上的一條條車道。如果說無線電波通信能提供的車道只有幾條，那么X射線通信可提供的車道就會更多。車道越多，單位時間內(nèi)能通過的車就越多；帶寬越大，單位時間內(nèi)能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也就越多。在相同發(fā)射功率下，X射線能承載的數(shù)據(jù)更多，相對而言也更加節(jié)能，是項“多快好省”的通信技術(shù)。

X射線被用于通信領(lǐng)域的優(yōu)勢在于，其頻率高、單個光子能量大、穿透力強。未來，這一通信技術(shù)的應(yīng)用場景主要有兩個：遠距離、高速率的星際通信；特殊電磁環(huán)境下的深空通信。

“黑障區(qū)”是X射線通信大顯身手的地方。“黑障區(qū)”是指航天器在返回大氣層時，在航天器周圍形成的一個高溫等離子體鞘套，它產(chǎn)生于距離地球表面約40公里到100公里的高空。

此前已有研究表明，X射線通信有望助力航天器克服這一難題。X射線的頻率高，能夠穿透這片區(qū)域。還有研究者曾提出，X射線通信或許將為火星探測器通信提供技術(shù)支撐。

本文來源：時空通訊，光明網(wǎng)，天文在線