X射線有什么作用？一文盤點(diǎn)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(shí)就是一種光，但這種光與我們平時(shí)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(diǎn)X射線的發(fā)明、危害與應(yīng)用

光，實(shí)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?yàn)楣庠粗械碾娮荧@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(jìn)化中，只對(duì)波段約380~780nm的頻段感光，因此這個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)光子的能量，屬于高能射線，因此穿透力很強(qiáng)。當(dāng)X光照射人體時(shí)，一部分被人體物質(zhì)吸收，大部分會(huì)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(qiáng)。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(qiáng)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(xué)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(gè)較為殷實(shí)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(xué)科學(xué)家克勞修斯，1868年受聘為維爾茨堡大學(xué)教授。

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后來，倫琴幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)，到過多家大學(xué)進(jìn)行物理學(xué)研究，1888年回到維爾茨堡大學(xué)，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(jì)末的歐洲，是科學(xué)風(fēng)起云涌的時(shí)代，歐洲的許多物理學(xué)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(xì)，為了防止外界光線對(duì)放電管的影響，不讓管內(nèi)的可見光漏出管外，他把整個(gè)房間全部弄黑，還做了個(gè)黑色硬紙?zhí)鬃?，將放電管?yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)封閉起來。

但他接通高壓電測試陰極射線時(shí)，黑色紙板套沒有露出一絲光，他為自己的杰作感到滿意?？删驮谶@時(shí)，他突然發(fā)現(xiàn)距離放電管1米外有一點(diǎn)閃光，切斷電源后閃光即消失。那是一個(gè)涂有氰化鉑酸鋇的熒光屏，每次打開電源都會(huì)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?yàn)樗驮S多科學(xué)家都通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，陰極射線只能在空氣中移動(dòng)幾個(gè)厘米，這已經(jīng)是定論。他試著把這個(gè)熒光屏逐步移得更遠(yuǎn)一些，一直到2米距離，依然可以發(fā)出閃光。

這時(shí)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(cuò)覺或幻影，因此在此后幾個(gè)星期，為了證實(shí)這種射線的存在，他把自己關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里，一個(gè)人默默研究。

因?yàn)榭茖W(xué)是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖挛?，未?jīng)證實(shí)就嚷嚷有違科學(xué)精神，因此他誰也沒有告訴。

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他在實(shí)驗(yàn)室安放了一張小床，叫人將飲食送過來。就這樣，他吃住在實(shí)驗(yàn)室，這樣可以讓實(shí)驗(yàn)儀器不中斷，保持測試的連續(xù)性。為了排除視力的錯(cuò)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(duì)它都是透明的。

當(dāng)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(gè)星期了。1895年12月22日晚上，他說服了自己的夫人來當(dāng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，當(dāng)他夫人將自己帶有戒指地伸向熒光屏?xí)r，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(xì)一看，那不是手，而是一個(gè)個(gè)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(gè)戒指，與自己戒指戴的位置一點(diǎn)都沒有偏差！倫琴夫人被自己的手嚇住了，要知道那個(gè)年代還有誰看到過這種影像？只有死人的白骨才會(huì)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(dòng)地?fù)肀Я朔蛉?。終于證實(shí)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(dòng)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(bào)告》提交給了維爾茨堡物理學(xué)醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)，里面他用“X”符號(hào)給這種射線命名。他說，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，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(shí)驗(yàn)，以排除錯(cuò)覺或幻影，幾個(gè)星期，我不想讓任何其他事情干擾我的實(shí)驗(yàn)。

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倫琴是個(gè)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(bào)告會(huì)，公布了自己的發(fā)現(xiàn)。報(bào)告會(huì)上，倫琴請(qǐng)求維爾茨堡大學(xué)著名解剖學(xué)家克里克爾，伸出自己的手讓他當(dāng)場用X射線拍攝，克里克爾欣然同意。當(dāng)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(shí)，全場掌聲雷動(dòng)，爆發(fā)出歡呼。

克里克爾立即激動(dòng)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(dòng)。

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所有的研究機(jī)構(gòu)都爭相仿造倫琴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然，真正的科學(xué)成果是經(jīng)得起任何復(fù)制的。X射線一時(shí)風(fēng)靡全球，成為一種時(shí)尚。

有人用X射線合影，以照出骨骼造型為時(shí)髦，甚至買鞋商人也以此促銷，用X光照射試鞋。人們那個(gè)時(shí)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(xué)，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(dāng)時(shí)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(gè)最大的里程碑”。

倫琴以他敏銳的視角，嚴(yán)謹(jǐn)一絲不茍的科學(xué)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(xiàn)，1901年，他獲得了人類科學(xué)史上首個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但倫琴一生都保持低調(diào)，他沒有將自己的發(fā)明申請(qǐng)專利，也拒絕了德皇威廉二世授予他的貴族稱號(hào)，依然以一個(gè)普通人身份默默地耕耘著自己的科學(xué)，在光電、熱力、電磁等許多領(lǐng)域取得了成就，一生獲獎(jiǎng)150多項(xiàng)，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(xué)是中性的雙刃劍

X射線的發(fā)現(xiàn)，給了這個(gè)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(yùn)用于社會(huì)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(jìn)行X射線實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)，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(shí)，發(fā)現(xiàn)了X射線對(duì)頭發(fā)會(huì)有損傷脫落；1896年7月，德國人馬修斯對(duì)X射線透視引起的脫毛和皮炎進(jìn)行了記述。

但人們依然沒有意識(shí)到嚴(yán)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(xué)界將X射線透視當(dāng)做最時(shí)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(shí)上，X射線的發(fā)現(xiàn)者倫琴，同時(shí)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(jiǎng)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(jì)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(rèn)識(shí)到這種射線的危害，開始注意做好防護(hù)，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(huì)各個(gè)方面，尤其是醫(yī)學(xué)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(gè)問題，我們首先要了解一下輻射的劑量單位。輻射計(jì)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(dāng)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(jī)體，打斷DNA分子鍵，破壞甚至殺死細(xì)胞，導(dǎo)致機(jī)體受損，大劑量照射甚至導(dǎo)致立刻死亡。

這些計(jì)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(shí)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(xué)委員會(huì)調(diào)查，綜合世界范圍各地受到的天然照射，平均每個(gè)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(rèn)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(gè)量相當(dāng)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(rèn)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(jī)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(hù)，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(dāng)照射了50次胸片，相當(dāng)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(xué)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(gè)特殊的信號(hào)來重建超大質(zhì)量黑洞周圍時(shí)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(huì)吞噬光，所以唯一的辦法就是間接地觀察它對(duì)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(dòng)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(gè)地球大小的天文臺(tái)——視界望遠(yuǎn)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(gè)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(dāng)前承擔(dān)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(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所助理研究員蘇桐告訴科技日?qǐng)?bào)記者，目前深空無線電通信正朝著實(shí)現(xiàn)30GHz到300GHz的載波頻率方向努力，也就是毫米波通信方向。

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生活中，手機(jī)信號(hào)這種無線電波的波長一般是厘米級(jí)的，而X射線的波長是納米級(jí)的。載波頻率越高，能容納的信號(hào)帶寬就越大。X射線比無線電波的頻率要高7到8個(gè)量級(jí)，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(shí)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(yàn)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(shí)。

打個(gè)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(huì)更多。車道越多，單位時(shí)間內(nèi)能通過的車就越多；帶寬越大，單位時(shí)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(duì)而言也更加節(jié)能，是項(xiàng)“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(gè)光子能量大、穿透力強(qiáng)。未來，這一通信技術(shù)的應(yīng)用場景主要有兩個(gè)：遠(yuǎn)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?！昂谡蠀^(qū)”是指航天器在返回大氣層時(shí)，在航天器周圍形成的一個(gè)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(shí)空通訊，光明網(wǎng)，天文在線