Что такое рентгеновские лучи? Простое введение

Если бы наши глаза могли обнаруживать сверхэнергетические формы излучения, такие как рентгеновские лучи, смотреть на наших друзей было бы совершенно сюрреалистичным опытом: мы могли бы
видеть прямо сквозь их кожу и наблюдать, как их кости
шевелятся под ней! Возможно, нам повезло, что у нас нет
такой способности, но мы все равно можем пользоваться преимуществами использования рентгеновских
лучей: они чрезвычайно важны в медицине, научных
исследованиях, астрономии и промышленности. Давайте подробнее рассмотрим, что такое рентгеновские лучи,
как они работают и как мы их создаем!

Фото: Когда-то с рентгеновскими снимками приходилось обращаться как со старомодными фотографиями. Теперь их так же легко изучать и хранить, как цифровые фотографии на экранах компьютеров. Фото Кейси Зикмунда предоставлено ВВС США.

Что такое рентгеновские лучи?

Представьте, что вам поручили переделать свет, чтобы сделать его немного более мощным, чтобы вы могли
видеть сквозь тела, здания и все, что вам взбредет в голову. Вы можете придумать
что-то вроде рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи — это своего рода сверхмощная версия обычного света: более энергичная форма
электромагнитного излучения, которая распространяется со скоростью света
по прямым линиям (как и световые волны). Если бы вы могли прикрепить
рентгеновские лучи к листу бумаги и измерить их, вы бы обнаружили, что их
длина волны (расстояние между одним гребнем волны и следующим) в
тысячи раз короче, чем у обычного света. Это означает, что их
частота (как часто они колеблются) соответственно
больше. И поскольку энергия
электромагнитных волн напрямую связана с их частотой, рентгеновские лучи
гораздо более энергичны и проникающи, чем световые волны. Итак,
вот самое важное, что вам нужно запомнить: рентгеновские лучи могут проходить
сквозь то, что обычные световые волны не могут, потому что они гораздо более
энергичны.

Иллюстрация: Электромагнитный спектр с рентгеновским диапазоном, выделенным желтым справа.
Вы можете видеть, что рентгеновские лучи имеют более короткие длины волн, более высокие частоты и более высокую энергию, чем большинство других
типов электромагнитного излучения, и не проникают в атмосферу Земли.
Их длины волн примерно соответствуют размерам атомов.
Иллюстрация предоставлена ​​NASA (перейдите по этой ссылке для получения более крупной и четкой версии этого изображения).

Мы все знаем, что некоторые материалы (например, стекло и пластик)
очень легко пропускают свет, а другие (например, дерево и металл)
— нет. Точно так же есть материалы, которые пропускают рентгеновские лучи
прямо сквозь себя, и материалы, которые останавливают рентгеновские лучи намертво
. Почему так происходит? Когда рентгеновские лучи проникают в материал, им приходится
пробиваться сквозь огромную толпу атомов, если они собираются
выйти с другой стороны. На самом деле им мешают
электроны, проносящиеся вокруг этих атомов. Чем больше электронов,
тем больше у них шансов поглотить рентгеновские лучи и тем меньше вероятность того, что
рентгеновские лучи выйдут из материала. Рентгеновские лучи, как правило, проходят через
материалы, состоящие из более легких атомов с относительно небольшим количеством электронов (например,
кожа, состоящая из молекул на основе углерода), но их
останавливают более тяжелые атомы с большим количеством электронов.
Свинец, тяжелый металл, вокруг каждого
атома которого вращается 82 электрона, особенно хорошо останавливает рентгеновские лучи. (Именно поэтому рентгенологи
в больницах носят свинцовые фартуки и стоят за свинцовыми
экранами.) Тот факт, что некоторые материалы пропускают рентгеновские лучи
лучше, чем другие, оказывается действительно очень полезным.

Художественное произведение: Свинец — тяжелый элемент, который вы найдете в нижней части
периодической таблицы: его атомы содержат много протонов и нейтронов, поэтому они очень плотные и тяжелые.
Свинец очень хорошо задерживает рентгеновские лучи.

Для чего используются рентгеновские лучи?

Рентгеновские лучи полезны во многих отношениях: от изучения кариеса зубов во рту до обнаружения событий в далеких галактиках.

Лекарство

Одним из первых применений рентгеновских лучей, которые люди обнаружили, была медицина, и они до сих пор наиболее
известны как медицинский инструмент, используемый как для диагностики, так и для лечения. Твердые
материалы, такие как кости и зубы, очень хорошо поглощают рентгеновские лучи,
тогда как мягкие ткани, такие как кожа и мышцы, позволяют лучам проходить
сквозь них. Это делает рентгеновские снимки (которые выглядят как
тени того, что находится внутри вашего тела) чрезвычайно полезными для всех
видов медицинской диагностики: они могут показать
сломанные кости,
опухоли, а
также помочь диагностировать заболевания легких, такие как
туберкулез
и
пневмония.
Стоматологические рентгеновские снимки помогают вашему стоматологу понять, что происходит в частях вашего рта — внутри ваших зубов и десен — которые они не смогли бы увидеть иначе.

Фото: Снятие рентгеновского снимка зубов с помощью современных цифровых технологий.
Это оборудование использует маломощные (и, следовательно, более безопасные) рентгеновские лучи, и вместо того, чтобы стоматологу приходилось проявлять старомодную фотографию, результаты почти мгновенно появляются на экране его компьютера.
Фото Мэтью Лоца предоставлено
ВВС США.

Врач может понять
из двухмерной фотографии вашего трехмерного тела лишь ограниченное количество информации,
особенно если учесть, что внутри такого маленького пространства находится так много всего, но
технология 3D-сканирования помогает преодолеть этот предел.
Сканеры КТ или КА (компьютерная аксиальная томография) рисуют на экранах то, что
по сути является трехмерными рентгеновскими снимками, пропуская тонкие как карандаш пучки
рентгеновских лучей через тело пациента и используя компьютерную технологию для
преобразования множества двухмерных снимков в единое трехмерное изображение.

Фото: Типичный КТ-сканер. Пациент лежит на кровати, которая скользит
через отверстие в сканере в форме бублика сзади. Блок сканера содержит один или несколько вращающихся
источников рентгеновского излучения и детекторов. Фото Франциско В. Говеа II
предоставлено ВВС США и Wikimedia Commons.

Поскольку рентгеновские лучи обладают высокой энергией, они могут повредить живую ткань, проходя
через нее. С одной стороны, это означает, что рентгеновские лучи следует использовать осторожно и весьма
избирательно, а рентгенологи (известные как рентгенологи) должны
принимать меры предосторожности, чтобы не поглотить слишком много радиации во время
своей работы. Но с другой стороны, рентгеновские лучи также можно использовать для
стерилизации медицинского оборудования (потому что они уничтожают микробы) и уничтожения
опухолей при лечении рака. Это известно как
рентгенотерапия (также называемая лучевой терапией и радиотерапией).

Узнайте больше о медицинском применении рентгеновских лучей от
Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB) при правительстве США.

Безопасность

Рентгеновское сканирование, которое показывает органы, скрывающиеся внутри вашего тела, так же полезно для
проверки сумок при регистрации в аэропорту: рентгеновские лучи проходят прямо через мягкие
материалы, такие как кожа и пластик, но блокируются металлом в
пистолетах, ножах и оружии. Обычно чемоданы и сумки проходят
через большие сканеры на конвейерных лентах, а рентгеновские снимки их
содержимого мгновенно появляются на экранах компьютеров, которые изучают охранники
. КТ все чаще используется в сканерах аэропортов для
измерения плотности жидкостей, перевозимых в багаже; это оказалось
быстрым и эффективным способом обнаружения некоторых видов взрывчатых веществ. Такие сканеры называются машинами CTX
и производятся такими компаниями, как GE InVision.

Фото: Использование цифрового рентгеновского оборудования (слева) для проверки содержимого
подозрительного пакета (на полу, справа). Фото Джонатана Помероя предоставлено
ВВС США.

Промышленное применение

Если вы можете использовать рентгеновские лучи для изучения проблем с легкими или сканирования багажа в аэропорту, почему бы не использовать их
аналогичным образом для обнаружения неисправностей, таящихся внутри машин? Это теория,
лежащая в основе
неразрушающего контроля, когда инженеры просвечивают рентгеновскими лучами все виды промышленного оборудования, чтобы отслеживать такие вещи, как трещины
и усталость металлических компонентов, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными.
Турбинные лопатки в реактивных двигателях самолетов проверяются таким образом,
чтобы убедиться, что они не содержат никаких проблем, которые могут привести к
их внезапному отказу во время полета. Все виды других продуктов
также регулярно изучаются с помощью рентгеновских лучей. Например, картины маслом
часто просвечиваются рентгеновскими лучами, чтобы доказать их подлинность (иногда обнаруживая более ранние версии картины или совершенно другие
изображения того же художника на том же холсте).

Фото: Неразрушающий рентгеновский контроль — один из способов проверки самолетов без их разборки. Здесь самолет только что прошел испытания в свинцовом ангаре на базе ВВС США Рэндольф, штат Техас. Предупреждающие знаки, которые вы видите на двери, указывают на потенциальную опасность рентгеновских лучей. Фото Стива Туроу предоставлено ВВС США.

Крошечные, точные рентгеновские лучи также могут использоваться в качестве микроскопических станков.
Миниатюрные схемы интегральных схем (кремниевых чипов) теперь можно рисовать
с помощью чрезвычайно точных рентгеновских лучей, используя технологию, называемую рентгеновской литографией.
Когда-то для этой цели использовались световые лучи; использование рентгеновских лучей, которые в тысячи раз тоньше, позволяет делать компоненты меньше, что в свою очередь позволяет делать чипы меньше и мощнее.

Научное исследование

Фото: Изучение полупроводниковых материалов с помощью рентгеновской спектроскопии. Фото Джима Йоста предоставлено
US DOE/NREL.

Помимо медицины, другим первоначальным применением рентгеновских лучей было изучение внутренней
структуры материалов. Если вы выстрелите пучком рентгеновских лучей в кристалл,
атомы рассеивают пучок очень точным образом,
отбрасывая своего рода тень внутреннего узора кристалла, по которой
вы можете измерить расстояние между одним атомом и его соседями. Это называется
рентгеновской дифракцией или
рентгеновской кристаллографией,
и благодаря британскому ученому
Розалинд
Франклин, это сыграло чрезвычайно важную роль в открытии структуры ДНК в 1950-х годах.

Астрономия

Фото: рентгеновское изображение Солнца, полученное с помощью телескопа мягкого рентгеновского излучения (SXT).
Фото предоставлено Центром космических полетов имени Годдарда (NASA-GSFC) NASA.

Мы привыкли к идее смотреть в телескопы, чтобы увидеть свет от далеких
объектов — даже тех, что находятся далеко в космосе. Но не все телескопы работают
таким образом. Радиотелескопы, например, больше похожи на гигантские
спутниковые антенны, которые улавливают радиоволны, исходящие от этих далеких источников. Рентгеновские лучи также распространяются в космосе, и мы можем изучать их аналогичным образом с помощью телескопов, настроенных на
распознавание их определенной частоты. К сожалению для астрономов,
но, возможно, к счастью для нашего собственного здоровья, атмосфера Земли
поглощает рентгеновские лучи, приходящие из космоса, прежде чем они достигают
поверхности нашей планеты. Это означает, что нам приходится изучать источники рентгеновских
лучей с помощью телескопов, расположенных в космосе, а не тех, что находятся здесь, на Земле.
Узнайте больше на странице NASA о рентгеновской астрономии.

Как возникают рентгеновские лучи?

Если вы прочитали нашу основную статью о свете, вы поймете, что вы видите вещи, когда
они отражают световые лучи. Точнее, отражение происходит, когда
электроны в атомах внутри объектов меняют положение, чтобы поглотить и затем повторно излучить световую
энергию. Если вы хотите получить красный свет, вы можете посветить фонариком на
помидор, чтобы красная часть исходного белого света в
луче вашего фонарика отразилась обратно. Рентгеновские лучи производятся в более
энергичной версии того же процесса. Если вы хотите получить рентгеновские лучи,
вы просто запускаете луч действительно высокоэнергетических электронов (ускоренных
с помощью высоковольтного источника питания) в кусок
металла (обычно вольфрама). То, что отражается обратно, в этом случае
не является ни светом, ни электронами, а лучом рентгеновских лучей. Вообще
говоря, чем выше напряжение, тем быстрее
движутся электроны, тем энергичнее они врезаются в вольфрам и тем
выше энергия (и частота) рентгеновских лучей, которые они производят.

Как были открыты рентгеновские лучи?

Фото: Рентгеновский снимок руки жены, сделанный Вильгельмом Рентгеном. Обратите внимание на кольца!
Считается, что фотография находится в общественном достоянии, предоставлено Национальной медицинской библиотекой, коллекциями «Изображения из истории медицины» (NLM) и Национальными институтами здравоохранения.

Вот краткая история рентгеновских лучей с момента их открытия в конце XIX
века до наших дней:

19 век

• 1895: Немецкий физик Вильгельм Рентген (1845–1923) открывает рентгеновские лучи, экспериментируя
  с катодными лучами (так тогда называли электронные пучки) в стеклянной
  трубке. Рентгеновские лучи просачиваются через стекло в стоящую рядом картонную
  коробку, где они заставляют бумагу, покрытую флуоресцентным материалом, светиться. Рентген не знает,
  что это за лучи, поэтому называет их «рентгеновскими лучами» (X — это название, которое
  обычно дают неизвестным величинам в математических
  задачах). Это открытие приносит ему первую
  Нобелевскую премию по физике в 1901 году.
• 1896: Вдохновленный этим открытием, выдающийся американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) разрабатывает рентгеновский аппарат,
  называемый флюороскопом.

20 век

• 1906: Чарльз Баркла
  (1877–1944), британский физик, показывает, что рентгеновские лучи могут быть
  поляризованы подобно лучам света. Это дает
  важные доказательства того, что рентгеновские лучи по сути подобны световым волнам, только
  с другой длиной волны и частотой.
• 1912: Немецкий физик Макс фон Лауэ (1879–1960) обнаруживает, что он может измерять длину волны рентгеновских лучей, пропуская их через кристаллы, что приблизительно подтверждает
  длину волны рентгеновских лучей и обычную атомную природу кристаллов.
• 1913-1914: Британский физик Уильям Генри Брэгг (1862–1942) и его сын
  (Уильям) Лоуренс Брэгг (1890–1971)
  эффективно обращают этот эксперимент, показывая, как рентгеновские лучи известной длины волны могут быть использованы для
  измерения атомного расстояния в кристаллах, и развивая область рентгеновской кристаллографии. За это
  они получают Нобелевскую премию по физике 1915 года.
• 1913: Американский физик Уильям Дэвид Кулидж (1873–1975) разрабатывает
  практичную рентгеновскую машину. Известная как трубка Кулиджа,
  это длинная стеклянная банка с электронным лучом и металлической мишенью
  внутри. Когда луч выстреливает в цель, производятся рентгеновские лучи.
  Увеличение напряжения производит более быстрые и энергичные рентгеновские лучи
  с более высокими частотами и более короткими длинами волн. Кулидж патентует
  свое изобретение в 1916 году. Большинство рентгеновских аппаратов до сих пор работают таким образом.Иллюстрация: Типичная трубка Кулиджа. Иллюстрация предоставлена
  ​​Wellcome Collection, опубликована по лицензии Creative Commons (CC BY 4.0).
• 1922: Артур Х. Комптон (1892–1962), другой американский физик, изучает отражение рентгеновских лучей от тщательно отполированного стекла и
  очень точно измеряет их длину волны. Он открывает явление, которое теперь называется эффектом Комптона (или рассеянием Комптона): рассеянные рентгеновские лучи имеют меньшую энергию, чем частицы в исходном пучке, что свидетельствует о корпускулярной природе электромагнитного излучения.
• 1953: Фрэнсис Крик (1916–2004) и Джеймс Д. Уотсон (1928–)
  определяют структуру ДНК с помощью рентгеновских дифракционных изображений, полученных Розалинд Франклин (1920–1958).
• 1972: Британский инженер-электронщик Годфри Хаунсфилд (1919–2004) изобретает компьютерный томограф, который создает трехмерные изображения внутренних органов человека
  с помощью тонких рентгеновских лучей.
• 1980-е годы: Предложены мощные рентгеновские лазеры, которые будут генерировать рентгеновские лучи посредством процесса
  вынужденного излучения (когда атомы заставляют испускать излучение точным образом путем постоянной «накачки» их энергией в
  пространстве между двумя параллельными зеркалами).
• 1999: Космический челнок запускает
  рентгеновскую обсерваторию «Чандра» — самый чувствительный рентгеновский телескоп на сегодняшний день. 

  Фото: рентгеновский телескоп «Чандра» непосредственно перед его отделением от космического корабля «Колумбия» 23 июля 1999 года. Фото предоставлено NASA/JSC

21-го века

• 2000-е: рентгеновские сканеры КТ используются для повышения безопасности досмотра багажа в аэропортах.
• 2009: Ученые Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния, создают мощный рентгеновский лазер, который называют
  «самым ярким в мире источником рентгеновского излучения».
• 2018: Исследователи из Новой Зеландии разрабатывают медицинский сканер, который может создавать трехмерные цветные рентгеновские снимки человеческого тела.
• 2019: Сингапурские ученые демонстрируют, как кристаллы перовскита могут стать лучшими детекторами рентгеновского излучения.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Атомы
• Электромагнитный спектр
• Свет
• Магнетизм
• Космические телескопы

На других сайтах

• Рентгеновские лучи: что включает в себя рентгенологическое исследование? Каковы будут ощущения? Есть ли какие-либо риски? Medline Национальной медицинской библиотеки США расскажет вам все, что вам нужно знать.
• Рентгеновские лучи: На веб-сайте Национальной службы здравоохранения Великобритании изложена процедура проведения рентгеновского исследования и описаны его преимущества и риски (по сравнению с другими естественными рисками, с которыми мы все сталкиваемся каждый день).

Книги

• «Космос Чандра: темная материя, черные дыры и другие чудеса, раскрытые ведущей рентгеновской обсерваторией НАСА». Твердый переплет Уоллеса Х. Такера. Смитсоновский институт, 2017 г. Рассматривает некоторые из великих открытий, сделанных учеными с использованием изображений и данных рентгеновской обсерватории Чандра.
• Рентгеновские лучи и экстремальное ультрафиолетовое излучение: принципы и применение Дэвида Эттвуда и Энн Сакдинават. Издательство Кембриджского университета, 2016. Охватывает основные концепции высокоэнергетического излучения и его применения в литографии, микроскопии, астрономии и лазерах.
• Рентген Ника Визи. Goodman/Carlton Books, 2013. Коллекция интригующих рентгеновских снимков повседневных вещей, включая фотографии растений, людей и гаджетов.
• Рентгеновские лучи: первые сто лет Алана Г. Мишетта и др. (редакторы). John Wiley & Sons, 1996. Сборник статей, опубликованных в ознаменование 100-летия открытия Рентгена.

Статьи

• Этот свинцовый фартук в рентгеновском кабинете? Он вам может не понадобиться Автор: Мэри Крис Яклевич, The New York Times, 14 января 2020 г. Взгляд на последние мысли о защите.
• Рентгеновское обнаружение может стать «убийственным приложением» для перовскитов, Джин Кумагаи. IEEE Spectrum, 20 мая 2009 г. Как кристаллы перовскита могут привести к созданию более чувствительных детекторов рентгеновского излучения.
• 3-D цветные рентгеновские лучи могут помочь обнаружить смертельные заболевания без хирургического вмешательства Эмили Баумгертнер. The New York Times, 17 июля 2018 г. Новые рентгеновские медицинские сканеры могут создавать более реалистичные цветные изображения.
• Рентгеновские лучи отображают трехмерную внутреннюю часть интегральных схем, автор Рейчел Кортленд. IEEE Spectrum, 17 марта 2017 г. Как ученые используют рентгеновские лучи для исследования внутренней структуры микрочипов.
• Вероятно, вам не нужно делать рентген зубов каждый год, Остин Фракт. The New York Times, 25 июля 2016 г. Действительно ли вам нужно делать рентген зубов так часто?
• Меньше значит больше с медицинскими рентгеновскими лучами нового поколения Марка Андерсона. IEEE Spectrum, 27 февраля 2014 г. Новая технология, называемая рентгеновской фазово-контрастной визуализацией (XPCI), обещает более полные изображения при меньших дозах рентгеновского облучения.