X射线有什么作用？一文盘点X射线的发明、危害与应用

人们到医院做透视和CT检查，就是采用X射线照射，又叫X光。X射线其实就是一种光，但这种光与我们平时了解的光不同，它可以透过人体后某些物体，但眼睛却看不见。

X射线有什么作用？一文盘点X射线的发明、危害与应用

光，实际上就是能量的传递，其本质是一种处于特定频段的光子流。光源发出光，是因为光源中的电子获得额外能量，在跃迁过程中以波的形式释放能量。

太阳光、电光、火光都是如此。因此，本质上光又是一种电磁波，是依靠光子传递的能量信息。但光有看得见和看不见的光，人眼在长期进化中，只对波段约380~780nm的频段感光，因此这个特定频段的电磁波被称为可见光。

除了可见光，还有许多人眼看不见的光，如无线电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线，就属于看不见的光，这些光都是电磁波谱中的某一个波段和频率。

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这些看不到的光，能量有低有高，可见光处于中间一个波段。比可见光能量低的光，有无线电波（包括长波、中波、短波、微波）、红外线；比可见光能量高的光，有紫外线、X射线、γ射线。

X射线是仅次于γ射线的电磁波，波长在10纳米~0.01纳米之间，频率在3^16~3^20赫兹之间，能量为124eV~1.24MeV。这是每一个光子的能量，属于高能射线，因此穿透力很强。当X光照射人体时，一部分被人体物质吸收，大部分会从原子隙缝穿越透过。

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频率越高波长越短的X光能量越大，穿透能力越强。在穿透物体的过程中，根据物体的密度和厚度，吸收不一样，因此穿越的X光就有强有弱，这样就在感光胶片中显示出被穿越物体的结构来。

X光于1895年被意外发现

说到X射线被发现过程，不得不说一位伟大的科学家家廉·康拉德·伦琴。伦琴1845年出生于德国莱茵州莱耐普城一个较为殷实的小企业主家庭，从小受到良好教育，曾经师从著名的热力学科学家克劳修斯，1868年受聘为维尔茨堡大学教授。

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后来，伦琴几经辗转，到过多家大学进行物理学研究，1888年回到维尔茨堡大学，不久接任孔特任物理研究所所长，1894年被选任为该校校长。

19世纪末的欧洲，是科学风起云涌的时代，欧洲的许多物理学家们都痴迷于研究真空放电现象和阴极射线，伦琴也深陷其中。不过伦琴的研究更为精细，为了防止外界光线对放电管的影响，不让管内的可见光漏出管外，他把整个房间全部弄黑，还做了个黑色硬纸套子，将放电管严严实实封闭起来。

但他接通高压电测试阴极射线时，黑色纸板套没有露出一丝光，他为自己的杰作感到满意。可就在这时，他突然发现距离放电管1米外有一点闪光，切断电源后闪光即消失。那是一个涂有氰化铂酸钡的荧光屏，每次打开电源都会发出微弱的浅绿色闪光！

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他很惊奇，他知道这绝不是阴极射线，因为他和许多科学家都通过实验证实，阴极射线只能在空气中移动几个厘米，这已经是定论。他试着把这个荧光屏逐步移得更远一些，一直到2米距离，依然可以发出闪光。

这时伦琴心里一阵狂喜，这很可能是一种过去从未发现过的东西，是一种未知的射线！但他现在还不能排除这是不是自己眼睛在黑暗中的错觉或幻影，因此在此后几个星期，为了证实这种射线的存在，他把自己关在实验室里，一个人默默研究。

因为科学是非常严谨的事物，未经证实就嚷嚷有违科学精神，因此他谁也没有告诉。

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他在实验室安放了一张小床，叫人将饮食送过来。就这样，他吃住在实验室，这样可以让实验仪器不中断，保持测试的连续性。为了排除视力的错觉，他采用感光板记录下这些奇怪的光。后来他又用纸、书和木板隔在感光板中间，这些射线不屈不挠的穿越而过，这些好像对它都是透明的。

当他觉得这种新发现的光已经确信无疑，已经过去了7个星期了。1895年12月22日晚上，他说服了自己的夫人来当实验对象，当他夫人将自己带有戒指地伸向荧光屏时，令人震惊而奇异的现象出现了，伦琴夫人看到一只瘦骨嶙峋的手，再仔细一看，那不是手，而是一个个骨节。

夫人不敢相信，这就是自己的手？但在影子的无名指骨节上，分明有一个戒指，与自己戒指戴的位置一点都没有偏差！伦琴夫人被自己的手吓住了，要知道那个年代还有谁看到过这种影像？只有死人的白骨才会这样。

而这是人类第一张X光照得的人体照片！伦琴异常激动地拥抱了夫人。终于证实了，这是一种前所未有的光，能够穿透肉体的光。

伦琴的发现轰动了世界

1895年12月28日，伦琴将自己的论文《一种新的射线，初步报告》提交给了维尔茨堡物理学医学学会，里面他用“X”符号给这种射线命名。他说，当我发现这种现象时，是那么的奇异和惊人，我把自己弄得精疲力尽，一而再再而三地做同一实验，以排除错觉或幻影，几个星期，我不想让任何其他事情干扰我的实验。

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伦琴是个低调的人，但1896年1月23日，他在自己的研究所举行了他一生唯一一次报告会，公布了自己的发现。报告会上，伦琴请求维尔茨堡大学著名解剖学家克里克尔，伸出自己的手让他当场用X射线拍摄，克里克尔欣然同意。当拍好的干板经过显影，出现一位八十岁老人优美的手骨时，全场掌声雷动，爆发出欢呼。

克里克尔立即激动地提出建议，将这种射线命名为“伦琴射线”。后来人们又把X射线和γ射线的照射剂量单位称为“伦琴”。从此伦琴的发现传遍了世界，引起了世界从未有过的巨大轰动。

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所有的研究机构都争相仿造伦琴的实验设备，重复他的实验，当然，真正的科学成果是经得起任何复制的。X射线一时风靡全球，成为一种时尚。

有人用X射线合影，以照出骨骼造型为时髦，甚至买鞋商人也以此促销，用X光照射试鞋。人们那个时候还根本不知道X射线的危害，以为这就是上天带给人类的奇妙感受。

最早开发出X光引用的是医学，这就是透视技术。人们通过X光照射，可以看到本应通过解剖才能看到的病变，为无数人更好地解除了病痛。当时英国著名外科医生托马斯·亨利将X射线称为“诊断史上的一个最大的里程碑”。

伦琴以他敏锐的视角，严谨一丝不苟的科学态度，才让X射线得以发现，从此让人类的生活发生了深刻变化。由于伦琴的巨大贡献，1901年，他获得了人类科学史上首个诺贝尔物理学奖。

但伦琴一生都保持低调，他没有将自己的发明申请专利，也拒绝了德皇威廉二世授予他的贵族称号，依然以一个普通人身份默默地耕耘着自己的科学，在光电、热力、电磁等许多领域取得了成就，一生获奖150多项，但都被X射线发现的光芒掩盖了。

1923年2月10日，伦琴在慕尼黑逝世，但他的精神与世长存。

科学是中性的双刃剑

X射线的发现，给了这个世界很大刺激，人们沉浸在发现的狂喜中，将X光广泛运用于社会生活各种场合。开始，人们根本没有别人觉察到这种射线的危害，随着X射线的滥用，其危害才逐步显示出来。

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1896年1月末，美国人格鲁伯在制造X射线管和进行X射线实验时，受到射线伤害，最终手指和手掌部分被切除；1896年3月，美国人埃迪森同样是在制作X射线透视装置时，感到眼疼，随后发生了结膜炎；1896年4月，还是美国人丹尼尔在用X射线照射头颅中异物位置时，发现了X射线对头发会有损伤脱落；1896年7月，德国人马修斯对X射线透视引起的脱毛和皮炎进行了记述。

但人们依然没有意识到严重性，甚至有人利用X射线大剂量照射，为女性去除体毛，后来这些女性皮肤不同程度的出现了皱纹、色斑、感染、溃烂和皮肤癌；1930年~1960年，医学界将X射线透视当做最时髦的诊断和治疗手段，一些病人由于受到高剂量的积累照射，诱发了白血病、骨肿瘤、肝癌等恶性肿瘤。

事实上，X射线的发现者伦琴，同时也是X射线的受害者，由于其多年暴露在X射线下，最终以多发性内脏癌症而逝世。同样一生与放射性元素打交道的诺贝尔奖获得者居里夫人，也因辐射而罹患癌症逝世（上图为居里夫妇）。

一直到上世纪六十年代后，随着越来越多的X射线伤害事件发生，人们才真正认识到这种射线的危害，开始注意做好防护，并在安全剂量中使用。

辐射剂量单位

现在，X射线广泛地用于社会各个方面，尤其是医学和工业探伤等方面起着巨大作用。那么人类接受多少X射线照射剂量是安全的呢？

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要说清楚这个问题，我们首先要了解一下辐射的剂量单位。辐射计量单位主要有：R(伦琴)、rem（雷姆）、Sv（西弗）、mSv（毫西弗）、μSv（微西弗）等，现在一般常用的Sv、mSv、μSv。

Sv是比较大的单位，1Sv照射就表示人体组织吸收1Gy（戈瑞）的辐射，也是得到1J/kg（焦耳/千克）的辐射，这种辐射剂量是非常大的，相当于广岛原子弹爆炸后幸存者们受到的照射剂量。

照射剂量单位并不仅仅是指X射线辐射，也包括其他的辐射，如γ射线等，是通用统一的。这些高能射线能量高，能够穿透生物机体，打断DNA分子键，破坏甚至杀死细胞，导致机体受损，大剂量照射甚至导致立刻死亡。

这些计量单位之间的关系是：0.01Sv（西弗）＝1R（伦琴）＝1rem（雷姆）=10mSv（豪西弗）＝10,000μSv（微西弗）。

辐射的安全剂量和致死量

其实在我们周围，辐射无处不在。经联合国原子辐射效应科学委员会调查，综合世界范围各地受到的天然照射，平均每个成年人每年受到的天然辐射剂量约为2.4mSv。这2.4mSv中，包括宇宙射线0.4mSv、地面γ射线0.5mSv（外照射）、吸入（主要是氡）1.2mSv、食入0.3mSv（内照射）。

研究认为，人体一次接受了4.5Sv的照射为半致死量，也就是死亡率约为50%，这个量相当连续做300~400次CT的检查的量；一次接受6Sv的照射，死亡率几乎为100%。长期观测研究认为，人体每年受到的X射线照射不超过50mSv，是在安全承受范围内。

人们在医院接受X光机或CT检查，也是受着X射线的照射，这种照射根据部位不同，每次照射受到的辐射剂量在0.01~15mSv之间；而宇航员们在太空，即便有各种防护，所受到的辐射也是地面的100~200倍；而每天吸烟1包的人，受到的辐射量每年约10~50mSv，相当照射了50次胸片，相当不吸烟的人5~20年的受到的辐射量。

那么，X射线除了在医学领域，还有哪些应用呢？

X射线首次被用来绘制黑洞周围的图像

研究人员首次使用X射线绘制了黑洞周围的地图。在供料过程中，黑洞吞噬的等离子体被加热到令人难以置信的温度，并开始在电磁光谱的X射线部分发光。这些X射线在剧烈扭曲的区域反弹，使得研究人员能够利用这个特殊的信号来重建超大质量黑洞周围时空的几何结构。

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研究黑洞附近的区域不是件容易的事。从它们的本质上来说，黑洞会吞噬光，所以唯一的办法就是间接地观察它对其他物体的影响而不是它本身。去年4月，我们拍摄了有史以来第一张照片（或者至少是它的活动视界，在它被黑洞吞噬之前最后一束光可以被看到的悬崖），但是它需要一个地球大小的天文台——视界望远镜来完成。现在，研究者们第一次用X射线来绘制黑洞周围的地图。

X射线还将用于深空通信

深空通信的一个重要应用场合就是空间中卫星和卫星之间的通信，以及卫星和航天器之间的通信。当前承担深空通信任务的，主要是无线电通信技术及日趋成熟的激光通信技术。中国科学院西安光学精密机械研究所助理研究员苏桐告诉科技日报记者，目前深空无线电通信正朝着实现30GHz到300GHz的载波频率方向努力，也就是毫米波通信方向。

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生活中，手机信号这种无线电波的波长一般是厘米级的，而X射线的波长是纳米级的。载波频率越高，能容纳的信号带宽就越大。X射线比无线电波的频率要高7到8个量级，因此X射线通信比无线电波的理论传输容量更大。

随着技术不断成熟，人们逐渐意识到，X射线不仅能被用于医疗或工业领域，也能被用于通信领域。

NASA研究人员称，若X射线通信试验成功，深空每秒千兆比特的高速数据传输有望成为现实。

打个比方，如果将通信载波比作一条高速公路，那么通信带宽就可以被看作是公路上的一条条车道。如果说无线电波通信能提供的车道只有几条，那么X射线通信可提供的车道就会更多。车道越多，单位时间内能通过的车就越多；带宽越大，单位时间内能传输的数据也就越多。在相同发射功率下，X射线能承载的数据更多，相对而言也更加节能，是项“多快好省”的通信技术。

X射线被用于通信领域的优势在于，其频率高、单个光子能量大、穿透力强。未来，这一通信技术的应用场景主要有两个：远距离、高速率的星际通信；特殊电磁环境下的深空通信。

“黑障区”是X射线通信大显身手的地方。“黑障区”是指航天器在返回大气层时，在航天器周围形成的一个高温等离子体鞘套，它产生于距离地球表面约40公里到100公里的高空。

此前已有研究表明，X射线通信有望助力航天器克服这一难题。X射线的频率高，能够穿透这片区域。还有研究者曾提出，X射线通信或许将为火星探测器通信提供技术支撑。

本文来源：时空通讯，光明网，天文在线