Comme pour de nombreuses découvertes monumentales de l'humanité, La technologie des rayons X a été inventé complètement par accident. En 1895, un physicien allemand nommé Wilhelm Roentgen a fait la découverte en expérimentant avec faisceaux d'électrons dans un tube à décharge de gaz . Roentgen a remarqué qu'un écran fluorescent dans son laboratoire a commencé à briller lorsque le faisceau d'électrons a été allumé. Cette réponse en soi n'était pas si surprenante - le matériau fluorescent brille normalement en réaction au rayonnement électromagnétique - mais le tube de Roentgen était entouré de carton noir épais. Roentgen a supposé que cela aurait bloqué la plupart des radiations.
Roentgen a placé divers objets entre le tube et l'écran, et l'écran brillait toujours. Finalement, il a mis sa main devant le tube, et a vu la silhouette de ses os projetée sur l'écran fluorescent. Immédiatement après avoir découvert les rayons X eux-mêmes, il avait découvert leur application la plus bénéfique.
La découverte remarquable de Roentgen a précipité l'une des avancées médicales les plus importantes de l'histoire de l'humanité. La technologie à rayons X permet aux médecins de voir directement à travers les tissus humains pour examiner les os cassés, cavités et objets avalés avec une facilité extraordinaire. Des procédures de radiographie modifiées peuvent être utilisées pour examiner les tissus plus mous, comme les poumons, vaisseaux sanguins ou les intestins.
Dans cet article, nous découvrirons exactement comment les appareils à rayons X réussissent cette incroyable astuce. Comme il s'avère, le processus de base est vraiment très simple.
Contenu
Les rayons X sont fondamentalement la même chose que les rayons lumineux visibles. Les deux sont des formes ondulatoires de énergie électromagnétique portés par des particules appelées photons (voir Comment fonctionne la lumière pour plus de détails). La différence entre les rayons X et les rayons lumineux visibles est la niveau d'énergie des photons individuels. Cela s'exprime également par le longueur d'onde des rayons.
Nos yeux sont sensibles à la longueur d'onde particulière de la lumière visible, mais pas à la longueur d'onde plus courte des ondes de rayons X à énergie plus élevée ou à la longueur d'onde plus longue des ondes radio à énergie plus faible.
Les photons de lumière visible et les photons de rayons X sont tous deux produits par le mouvement de électrons en atomes. Les électrons occupent différents niveaux d'énergie, ou orbitales, autour du noyau d'un atome. Lorsqu'un électron tombe sur une orbitale inférieure, il a besoin de libérer de l'énergie -- il libère l'énergie supplémentaire sous la forme d'un photon. Le niveau d'énergie du photon dépend de la distance parcourue par l'électron entre les orbitales. (Voir cette page pour une description détaillée de ce processus.)
Lorsqu'un photon entre en collision avec un autre atome, l'atome peut absorber l'énergie du photon en augmentant un électron à un niveau supérieur. Pour que cela se produise, le niveau d'énergie du photon doit rencontre la différence d'énergie entre les deux positions des électrons. Si non, le photon ne peut pas déplacer les électrons entre les orbitales.
Les atomes qui composent vos tissus corporels absorbent très bien les photons de la lumière visible. Le niveau d'énergie du photon correspond à diverses différences d'énergie entre les positions des électrons. Les ondes radio n'ont pas assez d'énergie pour déplacer les électrons entre les orbitales des atomes plus gros, donc ils passent à travers la plupart des trucs. Les photons de rayons X traversent également la plupart des choses, mais pour la raison opposée :ils ont trop d'énergie.
Autres utilisations des rayons X
Les contributions les plus importantes de la technologie des rayons X ont été dans le monde de la médecine, mais les rayons X ont également joué un rôle crucial dans un certain nombre d'autres domaines. Les rayons X ont joué un rôle central dans la recherche impliquant la théorie de la mécanique quantique, cristallographie et cosmologie. Dans le monde industriel, Les scanners à rayons X sont souvent utilisés pour détecter des défauts infimes dans les équipements de métaux lourds. Et les scanners à rayons X sont devenus un équipement standard dans la sécurité des aéroports, bien sûr.
Ils peuvent, cependant, éloigner complètement un électron d'un atome. Une partie de l'énergie du photon des rayons X sert à séparer l'électron de l'atome, et le reste envoie l'électron voler dans l'espace. Un atome plus gros est plus susceptible d'absorber un photon de rayon X de cette manière, parce que les atomes plus gros ont de plus grandes différences d'énergie entre les orbitales - le niveau d'énergie correspond plus étroitement à l'énergie du photon. Atomes plus petits, où les orbitales électroniques sont séparées par des sauts d'énergie relativement faibles, sont moins susceptibles d'absorber les photons de rayons X.
Les tissus mous de votre corps sont composés d'atomes plus petits, et n'absorbe donc pas particulièrement bien les photons de rayons X. Les atomes de calcium qui composent vos os sont beaucoup plus gros, donc ils sont meilleurs à absorbant les photons de rayons X .
Dans la section suivante, nous verrons comment les appareils à rayons X mettent en œuvre cet effet.
Le cœur d'un appareil à rayons X est un paire d'électrodes -- une cathode et une anode -- qui se trouve à l'intérieur d'un tube à vide en verre . La cathode est un filament chauffé , comme vous pourriez le trouver dans une lampe fluorescente plus ancienne. La machine fait passer le courant à travers le filament, le réchauffer. La chaleur projette des électrons hors de la surface du filament. L'anode chargée positivement, un disque plat en tungstène , attire les électrons à travers le tube.
La différence de tension entre la cathode et l'anode est extrêmement élevée, donc les électrons traversent le tube avec beaucoup de force. Lorsqu'un électron rapide entre en collision avec un atome de tungstène, il fait tomber un électron dans l'une des orbitales inférieures de l'atome. Un électron dans une orbitale supérieure tombe immédiatement au niveau d'énergie inférieur, libérant son énergie supplémentaire sous la forme d'un photon. C'est une grosse goutte, le photon a donc un niveau d'énergie élevé -- c'est un photon de rayons X.
L'électron libre entre en collision avec l'atome de tungstène, éjecter un électron d'une orbitale inférieure. Un électron orbital supérieur remplit la position vide, libérant son excès d'énergie sous forme de photon.
Les électrons libres peuvent également générer des photons sans toucher un atome. Le noyau d'un atome peut attirer un électron rapide juste assez pour modifier son cours. Comme une comète fouettant le soleil, l'électron ralentit et change de direction à mesure qu'il dépasse l'atome. Cette action de "freinage" amène l'électron à émettre un excès d'énergie sous la forme d'un photon de rayon X.
L'électron libre est attiré par le noyau de l'atome de tungstène. Au fur et à mesure que l'électron passe, le noyau modifie son cours. L'électron perd de l'énergie, qu'il libère sous forme de photon X.
Média de contraste
Dans une image radiographique anormale, la plupart des tissus mous n'apparaissent pas clairement. Se concentrer sur les organes, ou pour examiner les vaisseaux sanguins qui composent le système circulatoire, les médecins doivent présenter produits de contraste dans le corps.
Les produits de contraste sont des liquides qui absorbent les rayons X plus efficacement que les tissus environnants. Pour mettre en évidence les organes des systèmes digestif et endocrinien, un patient va avaler un mélange de produits de contraste, typiquement un composé de baryum. Si les médecins veulent examiner les vaisseaux sanguins ou d'autres éléments du système circulatoire, ils injecteront des produits de contraste dans la circulation sanguine du patient.
Les produits de contraste sont souvent utilisés en conjonction avec un fluoroscope .En fluoroscopie, les rayons X traversent le corps sur un écran fluorescent, créer une image radiographique en mouvement. Les médecins peuvent utiliser la fluoroscopie pour suivre le passage des produits de contraste à travers le corps. Les médecins peuvent également enregistrer les images radiographiques en mouvement sur un film ou une vidéo.
Les collisions à fort impact impliquées dans la production de rayons X génèrent beaucoup de chaleur. Un moteur fait tourner l'anode pour l'empêcher de fondre (le faisceau d'électrons n'est pas toujours focalisé sur la même zone). Un bain d'huile froide entourant l'enveloppe absorbe également la chaleur.
L'ensemble du mécanisme est entouré d'un épais blindage en plomb. Cela empêche les rayons X de s'échapper dans toutes les directions. Une petite fenêtre dans le bouclier permet à certains des photons de rayons X de s'échapper dans un faisceau étroit. Le faisceau traverse une série de filtres avant d'atteindre le patient.
Une caméra de l'autre côté du patient enregistre le schéma de la lumière des rayons X qui traverse tout le corps du patient. La caméra à rayons X utilise la même technologie de film qu'une caméra ordinaire, mais la lumière des rayons X déclenche la réaction chimique au lieu de la lumière visible. (Voir Comment fonctionne le film photographique pour en savoir plus sur ce processus.)
Généralement, les médecins gardent l'image du film comme un négatif . C'est-à-dire, les zones exposées à plus de lumière apparaissent plus sombres et les zones exposées à moins de lumière apparaissent plus claires. Matériau dur, comme l'os, apparaît blanc, et un matériau plus doux apparaît noir ou gris. Les médecins peuvent mettre au point différents matériaux en faisant varier l'intensité du faisceau de rayons X.
Les rayons X sont un merveilleux ajout au monde de la médecine; ils permettent aux médecins de regarder à l'intérieur d'un patient sans aucune intervention chirurgicale. Il est beaucoup plus facile et plus sûr d'examiner un os fracturé à l'aide de rayons X que d'ouvrir un patient.
Mais les rayons X peuvent aussi être nocifs. Au début de la science des rayons X, de nombreux médecins exposaient les patients et eux-mêmes aux rayons pendant de longues périodes. Finalement, les médecins et les patients ont commencé à développer maladie des radiations , et la communauté médicale savait que quelque chose n'allait pas.
Le problème est que les rayons X sont une forme de rayonnement ionisant . Quand la lumière normale frappe un atome, il ne peut pas changer l'atome de manière significative. Mais quand un rayon X frappe un atome, il peut faire tomber des électrons de l'atome pour créer un ion , un atome chargé électriquement. Les électrons libres entrent ensuite en collision avec d'autres atomes pour créer plus d'ions.
La charge électrique d'un ion peut entraîner des réactions chimiques non naturelles à l'intérieur des cellules. Entre autres, la charge peut briser les chaînes d'ADN. Une cellule avec un brin d'ADN rompu mourra ou l'ADN développera une mutation. Si beaucoup de cellules meurent, le corps peut développer diverses maladies. Si l'ADN mute, une cellule peut devenir cancéreuse, et ce cancer peut se propager. Si la mutation est dans un spermatozoïde ou un ovule, cela peut entraîner des malformations congénitales. En raison de tous ces risques, les médecins utilisent aujourd'hui les rayons X avec parcimonie.
Même avec ces risques, La radiographie reste une option plus sûre que la chirurgie. Les appareils à rayons X sont un outil précieux en médecine, ainsi qu'un atout en sécurité et en recherche scientifique. Ils sont vraiment l'une des inventions les plus utiles de tous les temps.
Pour plus d'informations sur les rayons X et les appareils à rayons X, consultez les liens sur la page suivante.
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