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發現X射線

1895年11月8日,德國物理與數學家倫琴在進行陰極射線實驗時,偶然發現新射線,因此將這種射線稱為X射線。而他以此為妻子拍下的人類史上第一張X光片,就成了影像醫學的濫觴。
 
 
1895年11月8日發現X射線

 
X射線(X-ray)是一種電磁波,波長在0.01到10奈米之間,如同可見光,它不需介質就能在真空中以光速傳播,但較之可見光,X射線帶有更高的能量。1895年11月8日,德國物理與數學家倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen)在進行陰極射線實驗時,偶然發現了這種尚未為人所知的新射線,因此將這種射線稱為X射線。而他以此為妻子拍下的人類史上第一張X光片,就成了影像醫學的濫觴。也因為X射線的重要性,倫琴在1901年成為史上第一位諾貝爾物理學獎的得主。
 
史上第一張X光片。(圖/Wikimedia Commons)
▲史上第一張X光片。(圖/Wikimedia Commons)

 
發現X射線
 
X射線的發現極其偶然,話說1895年倫琴利用克魯克斯管(Crookes tube)研究陰極射線產生的現象。克魯克斯管為陰極射線管的一種,它是兩側具有正負極的玻璃管,並搭配部分真空系統。當陰極射線管兩端加上高電壓時,陰極受激發而產生「陰極射線」並投射至陽極,當時他並不知道陰極射出了什麼東西。直至1897年,英國物理學家湯姆森(Joseph John Thomson)才指出陰極射線其實是電子束。
 
當倫琴進行陰極射線研究時,為確保實驗時沒有陰極射線散失,故以厚紙板遮蔽克魯克斯管。然而,在克魯克斯管通電後,他卻意外發現實驗室中的螢光物質氰鉑化鋇(barium platinocyanide)開始發出綠光。經過反覆確認後,倫琴發現激發螢光物質的能量就來自陰極射線管。因此他確信自己發現了一種未知的射線,故以表示未知數的X來命名這個射線,這就是今日廣為人知的X射線。
 
今日,我們已了解了當受到高電壓加速的電子穿透陽極金屬時,電子的動能將迅速下降,而多餘的能量就以X射線的形式散佚掉。除此,高能X射線若使陽極金屬的電子游離時,則在不同能階中的電子將進行躍遷,當下同時也會產生不同波長的X射線。
 
當X射線穿過物體時,除部分射線將被電子吸收外,其穿透的表現則取決於該物體電子雲的密度。如果此物體的原子排列緊密或具有較高的原子序(帶有較多電子)時, X射線的穿透量會降低。舉例來說,當X光通過人體時,由於骨頭主要是由原子序為20的鈣所組成,因此密度較高,而相較於密度較低且主要係由低原子序的碳、氫、氧和氮等元素所組成的其他組織,X光將較難穿透骨頭,因此觀察人體的X光片骨頭部位的影像會產生黑色陰影。依此原理,現今醫院裡常見醫生以非侵入性的方式進行患者相關的檢驗,這就是X光攝影。 
 
 
從青蛙正面與背面拍攝的X光片,拍攝日期約為1896年。(圖/Josef Maria Eder,National Science and Media Museum)
▲從青蛙正面與背面拍攝的X光片,拍攝日期約為1896年。(圖/Josef Maria Eder,National Science and Media Museum)

 
X射線的其他應用
 
另,若對病人在不同的方向進行X光照射,並透過影像分析軟體重組後,則可以得到空間解析度達0.5 毫米的3D影像,這就是電腦斷層掃描(Computed Tomography)技術。目前電腦斷層掃描也廣泛用以檢測腫瘤患者病灶的大小及其深淺,有效的幫助了醫療人員做出更精確的診斷。
 
此外,透過分析X射線通過晶體時受電子干擾所產生的繞射與散射圖樣,科學家得以探討原子之間的距離與其可能的結構。凡是具結晶型態的物質,包括鹽類、金屬、半導體和蛋白質等的研究,都是X射線晶體學的應用。值得一提的是,近年來臺灣國家同步輻射研究中心透過同步輻射加速器所產生的高強度X光更是提高了影像解析度至奈米等級,此等奈米級的顯微能力不僅提供材料科學研究一個高速、高解析的非破壞性工具,也可用以進行藥物動力學、癌細胞作用、巨分子代謝及結構變化等的研究。  
 
除了在醫療與科學的應用外,X光在各項產業界中亦同樣扮演了重要的角色。例如透過X光極具穿透力的特性,IC半導體產業可藉以分析各式元件內部的缺陷以進行良率管控,也能應用在鑑識科學中協助緝凶,或在農業上,用來分析不同地區土壤礦物的組成與結晶差異,協助分析蔬果內部果肉含水量、組織結構緊實度、蟲咬或腐敗等性質,以鑑別水果品質的優劣。  
 
參考資料
1. Wilhelm Conrad Röntgen – Facts. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Sun. 4 Aug 2019. 
2. The sensational discovery of X-rays. Nature. 1995 May 18;375(6528):183.
3. X Ray crystallography. Mol Pathol. 2000 Feb; 53(1): 8–14.
4. 發展奈米級快速X光顯微術 國家同步輻射研究中心簡訊
5. X光的奇妙世界 姚潔宜 國家奈米元件實驗室
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