Come per molte delle scoperte monumentali dell'umanità, Tecnologia a raggi X è stato inventato completamente per caso. Nel 1895, un fisico tedesco di nome Wilhelm Roentgen fece la scoperta mentre sperimentava fasci di elettroni in un tubo di scarico del gas . Roentgen ha notato che uno schermo fluorescente nel suo laboratorio ha iniziato a brillare quando il raggio di elettroni è stato acceso. Questa risposta in sé non era così sorprendente - il materiale fluorescente normalmente si illumina in reazione alla radiazione elettromagnetica - ma il tubo di Roentgen era circondato da un pesante cartone nero. Roentgen pensava che questo avrebbe bloccato la maggior parte delle radiazioni.
Roentgen ha posizionato vari oggetti tra il tubo e lo schermo, e lo schermo brillava ancora. Finalmente, mise la mano davanti al tubo, e vide la sagoma delle sue ossa proiettata sullo schermo fluorescente. Subito dopo aver scoperto i raggi X stessi, aveva scoperto la loro applicazione più vantaggiosa.
La straordinaria scoperta di Roentgen ha fatto precipitare uno dei più importanti progressi della medicina nella storia umana. La tecnologia a raggi X consente ai medici di vedere direttamente attraverso il tessuto umano per esaminare le ossa rotte, cavità e oggetti ingeriti con straordinaria facilità. Le procedure radiografiche modificate possono essere utilizzate per esaminare i tessuti più molli, come i polmoni, vasi sanguigni o intestino.
In questo articolo, scopriremo esattamente come le macchine a raggi X riescono a realizzare questo incredibile trucco. Come risulta, il processo di base è davvero molto semplice.
Contenuti
I raggi X sono sostanzialmente la stessa cosa dei raggi di luce visibile. Entrambe sono forme ondulate di energia elettromagnetica trasportato da particelle chiamate fotoni (vedi How Light Works per i dettagli). La differenza tra raggi X e raggi di luce visibile è la livello di energia dei singoli fotoni. Questo è anche espresso come lunghezza d'onda dei raggi.
I nostri occhi sono sensibili alla particolare lunghezza d'onda della luce visibile, ma non alla lunghezza d'onda più corta delle onde radio a più alta energia o alla lunghezza d'onda più lunga delle onde radio a energia più bassa.
I fotoni di luce visibile e i fotoni di raggi X sono entrambi prodotti dal movimento di elettroni negli atomi. Gli elettroni occupano diversi livelli di energia, o orbitali, intorno al nucleo di un atomo. Quando un elettrone cade su un orbitale inferiore, ha bisogno di rilasciare un po' di energia - rilascia l'energia extra sotto forma di un fotone. Il livello di energia del fotone dipende da quanto l'elettrone è caduto tra gli orbitali. (Vedi questa pagina per una descrizione dettagliata di questo processo.)
Quando un fotone si scontra con un altro atomo, l'atomo può assorbire l'energia del fotone aumentando un elettrone a un livello superiore. Perché ciò accada, il livello di energia del fotone deve incontro la differenza di energia tra le due posizioni degli elettroni. Altrimenti, il fotone non può spostare gli elettroni tra gli orbitali.
Gli atomi che compongono il tessuto corporeo assorbono molto bene i fotoni della luce visibile. Il livello di energia del fotone si adatta a varie differenze di energia tra le posizioni degli elettroni. Le onde radio non hanno energia sufficiente per spostare gli elettroni tra gli orbitali in atomi più grandi, quindi passano attraverso la maggior parte delle cose. Anche i fotoni a raggi X attraversano la maggior parte delle cose, ma per la ragione opposta:hanno troppa energia.
Altri usi dei raggi X
I contributi più importanti della tecnologia a raggi X sono stati nel mondo della medicina, ma i raggi X hanno svolto un ruolo cruciale anche in un certo numero di altre aree. I raggi X sono stati fondamentali nella ricerca che coinvolge la teoria della meccanica quantistica, cristallografia e cosmologia. Nel mondo industriale, Gli scanner a raggi X sono spesso utilizzati per rilevare piccoli difetti nelle apparecchiature di metalli pesanti. E gli scanner a raggi X sono diventati apparecchiature standard nella sicurezza aeroportuale, Certo.
Loro possono, però, allontana completamente un elettrone da un atomo. Parte dell'energia del fotone a raggi X funziona per separare l'elettrone dall'atomo, e il resto fa volare l'elettrone nello spazio. È più probabile che un atomo più grande assorba un fotone di raggi X in questo modo, perché gli atomi più grandi hanno maggiori differenze di energia tra gli orbitali:il livello di energia si avvicina di più all'energia del fotone. Atomi più piccoli, dove gli orbitali elettronici sono separati da salti di energia relativamente bassi, hanno meno probabilità di assorbire fotoni di raggi X.
Il tessuto molle del tuo corpo è composto da atomi più piccoli, e quindi non assorbe particolarmente bene i fotoni di raggi X. Gli atomi di calcio che compongono le tue ossa sono molto più grandi, quindi sono più bravi a assorbendo i fotoni dei raggi X .
Nella sezione successiva, vedremo come le macchine a raggi X mettono in funzione questo effetto.
Il cuore di una macchina a raggi X è un coppia di elettrodi -- un catodo e un anodo -- che si trova all'interno di a tubo a vuoto di vetro . Il catodo è a filamento riscaldato , come potresti trovare in una vecchia lampada fluorescente. La macchina fa passare corrente attraverso il filamento, riscaldandolo. Il calore emette elettroni dalla superficie del filamento. L'anodo a carica positiva, un disco piatto fatto di tungsteno , attira gli elettroni attraverso il tubo.
La differenza di tensione tra il catodo e l'anodo è estremamente elevata, quindi gli elettroni volano attraverso il tubo con una grande forza. Quando un elettrone accelerato si scontra con un atomo di tungsteno, rilascia un elettrone in uno degli orbitali inferiori dell'atomo. Un elettrone in un orbitale più alto cade immediatamente al livello di energia più basso, liberando la sua energia extra sotto forma di un fotone. è un grande calo, quindi il fotone ha un alto livello di energia -- è un fotone a raggi X.
L'elettrone libero si scontra con l'atomo di tungsteno, facendo uscire un elettrone da un orbitale inferiore. Un elettrone orbitale più alto riempie la posizione vuota, liberando la sua energia in eccesso sotto forma di fotone.
Gli elettroni liberi possono anche generare fotoni senza colpire un atomo. Il nucleo di un atomo può attrarre un elettrone accelerato quanto basta per alterarne il corso. Come una cometa che gira intorno al sole, l'elettrone rallenta e cambia direzione mentre supera l'atomo. Questa azione "frenata" fa sì che l'elettrone emetta energia in eccesso sotto forma di fotone a raggi X.
L'elettrone libero è attratto dal nucleo dell'atomo di tungsteno. Mentre l'elettrone accelera, il nucleo altera il suo corso. L'elettrone perde energia, che rilascia come fotone a raggi X.
Mezzi di contrasto
In un'immagine a raggi X anormale, la maggior parte dei tessuti molli non viene visualizzata chiaramente. Per concentrarsi sugli organi, o per esaminare i vasi sanguigni che compongono il sistema circolatorio, i medici devono presentare mezzi di contrasto nel corpo.
I mezzi di contrasto sono liquidi che assorbono i raggi X in modo più efficace rispetto al tessuto circostante. Per mettere a fuoco gli organi del sistema digestivo ed endocrino, un paziente ingoierà una miscela di mezzi di contrasto, tipicamente un composto di bario. Se i medici vogliono esaminare i vasi sanguigni o altri elementi del sistema circolatorio, inietteranno mezzi di contrasto nel flusso sanguigno del paziente.
I mezzi di contrasto sono spesso usati in combinazione con a fluoroscopio .In fluoroscopia, i raggi X passano attraverso il corpo su uno schermo fluorescente, creazione di un'immagine radiografica in movimento. I medici possono utilizzare la fluoroscopia per tracciare il passaggio del mezzo di contrasto attraverso il corpo. I medici possono anche registrare le immagini radiografiche in movimento su pellicola o video.
Le collisioni ad alto impatto coinvolte nella produzione di raggi X generano molto calore. Un motore fa ruotare l'anodo per impedirne la fusione (il fascio di elettroni non è sempre focalizzato sulla stessa area). Anche un bagno d'olio freddo che circonda l'involucro assorbe il calore.
L'intero meccanismo è circondato da uno spesso schermo di piombo. Ciò impedisce ai raggi X di fuoriuscire in tutte le direzioni. Una piccola finestra nello scudo consente ad alcuni dei fotoni di raggi X di fuoriuscire in un fascio stretto. Il raggio passa attraverso una serie di filtri nel suo cammino verso il paziente.
Una telecamera sull'altro lato del paziente registra lo schema della luce dei raggi X che attraversa tutto il corpo del paziente. La fotocamera a raggi X utilizza la stessa tecnologia cinematografica di una normale fotocamera, ma la luce dei raggi X innesca la reazione chimica invece della luce visibile. (Vedi Come funziona la pellicola fotografica per conoscere questo processo.)
In genere, i medici mantengono l'immagine del film come a negativo . Questo è, le aree esposte a più luce appaiono più scure e le aree esposte a meno luce appaiono più chiare. materiale duro, come l'osso, appare bianco, e il materiale più morbido appare nero o grigio. I medici possono mettere a fuoco diversi materiali variando l'intensità del raggio di raggi X.
I raggi X sono una meravigliosa aggiunta al mondo della medicina; lasciano che i medici scrutino all'interno di un paziente senza alcun intervento chirurgico. È molto più facile e sicuro guardare un osso rotto usando i raggi X piuttosto che aprire un paziente.
Ma i raggi X possono anche essere dannosi. Agli albori della scienza dei raggi X, molti medici esporrebbero i pazienti e se stessi ai raggi per lunghi periodi di tempo. Infine, medici e pazienti hanno iniziato a svilupparsi malattia da radiazioni , e la comunità medica sapeva che qualcosa non andava.
Il problema è che i raggi X sono una forma di Radiazione ionizzante . Quando la luce normale colpisce un atomo, non può cambiare l'atomo in alcun modo significativo. Ma quando una radiografia colpisce un atomo, può eliminare gli elettroni dall'atomo per creare an ione , un atomo elettricamente carico. Gli elettroni liberi poi si scontrano con altri atomi per creare più ioni.
La carica elettrica di uno ione può portare a reazioni chimiche innaturali all'interno delle cellule. Tra l'altro, la carica può rompere le catene del DNA. Una cellula con un filamento di DNA rotto morirà o il DNA svilupperà una mutazione. Se molte cellule muoiono, il corpo può sviluppare varie malattie. Se il DNA muta, una cellula può diventare cancerosa, e questo cancro può diffondersi. Se la mutazione è in uno spermatozoo o in una cellula uovo, può portare a difetti alla nascita. A causa di tutti questi rischi, i medici usano i raggi X con parsimonia oggi.
Anche con questi rischi, La scansione a raggi X è ancora un'opzione più sicura della chirurgia. Le macchine a raggi X sono uno strumento prezioso in medicina, nonché una risorsa nella sicurezza e nella ricerca scientifica. Sono davvero una delle invenzioni più utili di tutti i tempi.
Per ulteriori informazioni sui raggi X e sulle macchine a raggi X, controlla i link nella pagina successiva.
articoli Correlati
Altri ottimi link
