X光机，这一神奇的医疗设备，是如何实现对人体内部的透视的呢？其本质，可以看作是一盏能够投射特殊光影的灯，这光影便是X光。

X光，与我们所熟知的可见光，同属于电磁波谱的大家庭。它们之间的区别，主要在于波长和能量。X射线光子的波长极短，频率却极高，因此其能量相较于普通光子要高出数百甚至数千倍。在人体内部，大多数的原子都无法像吸收普通光子那样，去吸收如此巨大的能量。特别是骨头中的钙质，由于其密度较高，会吸收X光，形成阻挡。而身体的其他大部分组织，对于这些高能量的光子来说，几乎是透明的，它们能够轻易地穿透过去。正因如此，在X光片上，我们能够清晰地看到骨骼的阴影，以及半透明的器官和肌肉的轮廓。

那么，X光又是如何在X光机中产生，并准确地投射到人体上的呢？这要从X光机的内部结构说起。X光机的核心部件是一个真空X射线管，这个真空管里存放着电子束。真空管的一端是灯丝阴极，它负责制造自由电子。这些带负电的电子，被真空管另一端带正电的钨靶阳极所吸引，开始加速运动。

当这些高速运动的电子与钨原子在阳极发生碰撞时，会发生一种奇妙的能量转换。电子会将钨原子的一个内层电子撞出，而外层电子则会落入内层电子原本的轨道。这个过程中，多余的能量便会被转换成X射线光子。另外，在电子与钨原子“轫致辐射”的情况下，钨原子的原子核虽然不会直接吸收电子，但会改变电子的轨道。随着电子的减速，其能量也会逐渐转换成X射线光子。

为了确保X光能够安全、准确地投射到人体上，X光机的真空管被包裹在一个铅屏蔽罩之中，只留下一个开口供X光束射出。这道X光束在射出后，还会经过一层铝制滤板的过滤，以去除低能量的光子，确保成像的清晰度。然后，它便穿过病患的身体，投射到身体后面的数字探测器或增感屏－胶片系统上。这些设备就像传统的相机一样，能够捕捉并记录下身体轮廓的影像。

X光能用来判读许多病症，例如骨折、感染或癌症，检查范围并不仅限于骨骼。

X光的应用范围非常广泛，它不仅能够用来判断骨折等骨骼问题，还能够检测感染、癌症等多种病症。这是因为X光能够穿透人体组织，显示出不同组织之间的X线吸收系数差异，从而帮助医生发现隐藏在身体内部的异常。

说到电磁辐射，我们不得不提电磁波谱。在这个光谱中，可见光与X光都占据了重要的位置。无线电波位于频率较低的一端，其波长范围广泛，从一公分到100公里不等。由于其频率较低，因此无线电能的强度也相对较弱。而X光则位于频率较高的一端，其波长极短，介于0.01至10纳米之间。这意味着，每一条X射线光子的能量都比无线电或普通光子高出许多。

光子的能量强度，决定了它与各种原子之间的交互作用方式。当普通光子碰到皮肤原子时，它的能量会被原子吸收，暂时提高原子中一个电子的能级。而无线电光子由于能量较低，无法提高电子的能级，因此会直接穿透身体。相比之下，X射线光子则具备极强的能量，它要么直接穿过身体组织，要么将原子中的电子撞出，形成离子对。

在X光机的工作过程中，光电效应是一个关键环节。较重的钙原子会吸收X射线光子，从而阻挡光子束的路径。而钙原子周围的身体组织则对X光的吸收效率较低，允许大部分的光子束直接穿过。这些穿过身体的光子最终会抵达对X光敏感的影像接收器，形成一幅灰度影像。在这幅影像中，光子束的颜色较深，而骨骼和高密度器官的影子则呈现较浅的颜色。

X射线管是X光产生的关键场所，它必须保持极高的真空度以确保电子束的稳定运动。热阴极则是电子的源头，它通过电流加热钨丝来释放出电子。这些电子在高压电场中受到阳极的吸引而加速运动，最终产生X光。

然而，X光的高能量也带来了潜在的危险。X射线光子有足够的能量从身体里的原子中撞出电子，破坏原子的平衡状态并产生自由基。这些自由基可能会在体内触发各种化学变化，其中最严重的后果是DNA损伤导致细胞突变。虽然医生已经通过当量剂量来评估X光扫描的风险，并指出一次胸部X光的辐射量相当于暴露在自然背景辐射中48小时，致癌风险仅增加百万分之一，但我们仍然需要谨慎对待每一次X光检查，确保在获得医疗效益的同时最大限度地降低潜在风险。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：梁忠伟 中国机械学会微纳制造、智能运维专委会理事、中机联绿色制造专委会常务委员

来源: 科普中国创作培育计划

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