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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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影子的妙用(下)

2017-12-04 11:34:00

  荧光物质虽然不能产生X射线,但是荧光屏上的影子却给德国科学家伦琴带来深刻的启示,从而拉开了划时代的发现——X射线的序幕。

  故事还得从阴极射线说起。1879年8月22日,英国皇家学会举办了一场学术报告会,主讲人是克鲁克斯教授。克鲁克斯的助手搬上两个大型的梨形真空放电管,接通高压电后,在阴极相对的玻璃壁上就发出了一片绿色荧光。克鲁克斯把其中一个管中放置了一片十字形的金属的放电管竖起又放下,玻璃壁上立即出现了一个十字形的影子。“这表明从阴极发出了一种人眼看不见的射线,”克鲁克斯解释道,“显然,这种阴极射线与太阳光线一样,是直线传播的,所以会生成影子。”接着,克鲁克斯又把另个放电管中透明的云母片竖了起来。“但是,”他指着玻璃壁上产生的云母片影子说道,“阴极射线显然又与能够透过云母片的普通光线不同。”克鲁克斯又分别使用了几种放电管陆续进行演示,进一步让在场的学者们了解到:阴极射线是一种带阴电的粒子流,是一种当时尚未知的新物质。

  在这之后掀起的研究阴极射线的热潮中,发生了几件后来载入史册的重大事件。首先,克鲁克斯发现放在实验装置附近尚未曝光的照相底片,突然变得模糊不清了。其次,1890年2月22日,美国科学家古德斯培德突然意外地在实验室中发现一张形状奇特的照片,却随手扔进了废纸篓中。最后,1893年,德国物理学家勤纳德将阴极射线管管壁的玻璃去掉一小部分,并用极薄的铝箔封闭。实验表明,阴极射线可以穿过这种“铝窗”,并在空气中传播几厘米。当他在“铝窗”和照相底片之间再插入纸片和铝片后,底片上还是出现了影子。但勤纳德却并未深究这种反常现象的原因。

  转眼到了1895年10月,德国波恩的物理学教授伦琴在实验室进行研究时发现,阴极射线管附近发生了几次用黑纸包好的照相底片自动感光的事件。于是,11月8日傍晚,伦琴用很厚的黑纸把阴极射线管包了起来,然后接通电源,果然看不到管壁发出的荧光了,他便关灯离开实验室。刚走了几步,伦琴忽然想起阴极射线管的电源还未关闭,又急匆匆地赶回去。推开门时发现,在漆黑的实验室中竟有一处正闪闪发着绿光。

  他开灯后发现,这处绿光的光源来自一块涂有铂氰酸钡结晶物质的荧光屏。他把电灯和阴极射线管的电源都关掉后,荧光屏便不发光了,再次接通阴极射线管的电源,荧光又出现了。

  这真是咄咄怪事!铂氰酸钡结晶物质只有在阳光照射下才能发出荧光,而此时荧光屏发光的现象,显然与阴极射线管有关。但阴极射线管发出的荧光很微弱,而且此时阴极射线管被很厚的黑纸包着,荧光屏距离管子也有2米之遥,远远超过了阴极射线在空气中传播的最长距离。因此伦琴推断,这很可能是另一种新射线作用的结果。

  该事件令人深思的是:对比伦琴的实验与之前几位科学家的实验,虽然并无本质上的区别,但为何只有伦琴能这样大胆推测?换言之,新射线的发现机遇为什么只偏爱伦琴呢?

  X射线的魔力

  伦琴就这一事件继续进行探究。他想,这种新射线除了空气外,还能不能穿透其他物质呢?为此,他抽出一张扑克牌挡住射线,荧光屏依旧发光;换了一本很厚的书,荧光屏上的亮度也只不过减弱了一点;再换成一张薄铝片,效果和那本厚书一样……这样不断更换遮挡物,他发现有铅能使荧光屏上的亮光消失。至此,伦琴证实了自己的推断。但由于他对这种新射线的性质尚不清楚,因而将其定名为“X射线”。

  为了进一步研究X射线的性能,伦琴日以继夜地在实验室中工作。

  1895年12月22日,他的夫人贝尔塔出于对丈夫的关切和自己的好奇心,前往实验室探望伦琴。见面后,伦琴却要贝尔塔当助手,让她双手捧着一个小荧光屏不断后退,观察并测定距离的远近与荧光亮度变化的数据。贝尔塔越退越远,最后完全被黑暗吞没。这时,她突然尖叫一声:“妖魔,实验中出现了妖魔……”她手中的小荧光屏也随之跌落在地上。伦琴立即开灯,搂住夫人的肩膀问道:“亲爱的,怎么啦?”“刚才我看到自己双手的血肉都没有了,只剩下几根骨头,太可怕了!”“你双手不是好好的嘛!”

  “不,这是魔鬼在玩花招……”此时,伦琴忽有所悟。他又把灯熄灭,重新竖起一块荧光屏,并将自己的一只手平放在上面,果然显出了五根指骨的影子。接着,他又取出一个装有照相底板的暗盒,让贝尔塔将一只手平放在上面,再用放电管对准,连续照射了15分钟。当底片从显影液里捞出时,不仅可以清晰地看见手骨,而且无名指上戴着的那枚钻石戒指也同样清晰可见。此时,伦琴作为一位科学家已经敏锐地意识到自己有了重大发现。之后,他又进行了新的实验,并证明了X射线在磁场中并未偏转,并非阴极射线。当X射线通过三棱镜时,并没有产生折射,更证明了X射线与普通光线有着本质的区别。

  1895年12月28日,伦琴向维尔茨堡物理医学会正式递交了以《论一种新的射线》为题的论文。1896年元旦,伦琴将他的论文和第一批X射线照片复印件分送给一些著名的物理学家。X射线的发现在全世界引起了巨大轰动。1896年1月23日,在伦琴举办的报告会上,年近八旬的著名解剖学家克利克尔在查看了现场拍摄的自己右手的X光片后,激动地说:“我一生不知解剖了多少只手。今天伦琴先生却在我的手毫无痛苦,不受一点损伤的情况下,清晰地‘解剖’了我的手骨……这是我当了维尔茨堡物理医学会会员48年来,最有意义的一次学术活动……我提议将这种射线更名为‘伦琴射线’。”

  之后,科学家通过进一步的研究,证明了X射线穿透各种物质的结果并不相同。对于由较轻原子组成的物质,如肌肉等,X射线透过时就好像可见光穿过透明物质一样,很少有所减弱。而对于由重原子组成的物质,如铁和铅,X射线就不易透过,几乎全部被吸收了。由于骨骼对X射线的吸收比肌肉强150倍,因此在荧屏上会留下黑影。这种特性使X射线成为一种重要的医学诊断工具。医生们通过荧光屏上的影子,很容易就能看清骨骼上细小的裂痕,同时也能及时发现关节疾病、初期肺结核和胃里的异物。伦琴发现X射线的消息传到美国的第4天,医生就利用这种装置,发现了隐藏在一位患者脚上的子弹。

  X射线的发现,叩开了人类认识物质微观世界的大门,破除了“原子是组成物质的最小微粒”的谬误,催生了现代物理学。1901年,伦琴荣获首届诺贝尔物理学奖。

  但是X射线真的这样神通广大,无所不能吗?

  发明CT的灵感

  随着人们对疾病认识水平的不断提高,传统X射线诊断的不足也开始显现。一方面,X射线透射过程中存在着散射干扰(类似光通过毛玻璃时那样),使照片对比减弱,胶片感光度未能充分利用;另一方面,人体内大多数器官对X射线的吸收差别极小,因而很难发现那些前后重叠组织的病变。特别是在肿瘤的探测上,由于人体是立体的,而得到的X射线图是平面的,影像相互重叠,因而难以发现病变或病变部位。

  于是,日后名垂现代医学史的两位科学家先后登场了……

  1956年,南非开普敦大学物理系讲师科马克,奉命去当地一家医院监督放射性同位素的使用情况。他在工作中发现,人体不同组织病变后,对X射线的透过率会有所改变。但这种平面图像如何反映出立体影像,成为了一个难题。一次偶然的机会,科马克看到一棵大树的影子遮盖了另一棵小树的影子,而当太阳转到另一个方向后,小树的影子又显现出来了。这使他深受启示,并产生了以下诊断想法:如果利用人体不同组织对X射线的吸收和透过率的差异,多次从不同角度用X射线对人体进行透视,就能多方位显示人体的不同组织对 X 射线的吸收和透过率的差异。用这些经过计算的信息数据,就可以产生一系列变平面为立体的断层图像,从而了解各个层面的情况。

  这种诊断技术后来被称为“电子计算机断层扫描”(简称CT)。尽管科马克在1963年就制成了世界上第一台CT机的原型,但由于他使用的台式计算机运算能力有限,因而未能成为实际的诊断工具。直到1969年,英国电子计算机及图像重生专家豪斯菲尔德才研制出了世界上第一台CT机,正式安装于伦敦郊外的可特金森莫利医院。1972年10月4日,豪斯菲尔德与放射科医生安布罗斯首次合作,用CT机为一位41岁的女患者做检查。女患者在完全清醒的状态下仰卧着,X射线管装在她身体的上方,绕检查部位转动。同时,在她身体的下方安装了一个检测器,以接收人体相关部位对X射线的吸收情况。经过计算机处理后,她位于大脑左额叶的囊性肿瘤在CT机上清晰地显示出来,获得了世界医学史上第一张CT片。

  当然,科学家们永远不会满足于已取得的成绩。首台CT机中的X射线是单束的,仅配有1个检测器,完成一次扫描需4~5分钟。不久后,第二代CT机问世。它采用两股X射线,形成10°~20°的扇形束,并使用20~30个检测器,每次扫描只需30~120秒。至第三代CT机,每次扫描只需2.5秒。第四代CT机的扫描时间更是缩短到1秒。而新近开发的螺旋CT扫描,检测器多达4800个,1秒钟就可获得连续的多幅图像。

  CT图像与X射线显示的黑白图像一样,黑影表示低吸收区,即低密度区,如含气体较多的肺部,白影表示高吸收区,即高密度区,如骨骼。但是对比两者的密度分辨能力,CT远高于X射线,因此可在良好的了解图像背景上显示出病变的影像。1979年,因这一项发明,科马克与豪斯菲尔德共同荣获诺贝尔生理学或医学奖。

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