投 稿 類 別 : 物 理 類 篇 名 : 探 討 X 光 的 奧 秘 作 者 : 陳 柏 瑄 私 立 華 盛 頓 高 中 高 二 3 班 林 峯 正 私 立 華 盛 頓 高 中 高 二 3 班 李 晉 安 私 立 華 盛 頓 高 中 高 二 3 班 賈 竣 翔 私 立 華 盛 頓 高 中 高 二 3 班 指 導 老 師 : 王 威 程
壹 前 言 : 探 討 X 光 的 奧 秘 西 元 1895 年, 德 國 科 學 家 Wilhelm Konrad Roentgen 在 實 驗 室 研 究 陰 極 射 線 管 作 用 時, 意 外 發 現 在 遠 距 離 的 BaPt 氰 化 物 竟 發 生 螢 光 反 應, 他 直 覺 地 認 為 那 是 由 一 種 未 知 名 的 射 線 所 激 發 引 起 的 他 很 詳 細 地 研 究 這 種 射 線 的 發 生 和 性 質, 更 有 趣 的 是, 以 這 種 射 線 照 出 一 張 他 太 太 的 手 部 放 射 線 圖, 而 使 得 他 的 研 究 大 受 注 目 此 項 發 現 在 1896 年 1 月 20 日 一 場 法 國 科 學 會 議 中 受 到 熱 烈 地 討 論, 並 正 式 以 X 光 名 之 (X 表 示 未 知 ) 貳 正 文 : < 一 > 關 於 X 光 : X 光 管 包 含 陰 極 ( 鎢 絲 ) 陽 極 ( 鎢 或 鎢 錸 合 金 ) 真 空 的 玻 璃 封 罩 鎢 絲 加 上 聚 焦 杯 與 陽 極 靶 放 在 玻 璃 封 罩 內 當 鎢 絲 加 到 白 熱 時, 電 子 將 從 鎢 的 表 面 逸 出, 若 此 時 陽 極 電 壓 相 對 於 鎢 絲 為 正, 則 這 些 電 子 將 被 吸 到 陽 極 因 為 陽 極 與 陰 極 間 為 高 度 真 空, 電 子 在 穿 過 兩 者 之 間 時 將 不 會 與 氣 體 分 子 相 碰 撞, 而 可 獲 得 非 常 高 的 速 度 到 達 陽 極 當 一 個 高 速 電 子 穿 過 靶 的 表 層 時, 它 可 能 遭 受 各 種 不 同 的 歷 程 和 碰 撞 在 一 連 串 的 碰 撞 裡, 電 子 的 活 動 方 向 將 改 變 而 產 生 游 離 化, 在 這 些 歷 程 中 將 轉 移 一 部 份 能 量 給 原 子 中 的 電 子, 而 將 它 從 原 子 中 打 出 來 這 被 打 出 來 的 電 子 可 能 有 足 夠 的 能 量 以 產 生 自 己 的 軌 跡, 這 些 軌 跡 通 常 稱 為 δ 射 線, 最 後 都 變 成 熱 的 形 式 出 現 < 二 >X 光 對 人 體 的 影 響 : 雖 然 X 光 是 醫 學 上 一 項 重 大 發 現, 但 它 在 遺 傳 上 或 生 理 上 會 產 生 不 良 的 影 響 在 遺 傳 方 面, 它 可 能 引 致 遺 傳 因 子 突 變, 因 而 產 生 一 些 患 上 遺 傳 缺 陷 的 下 一 代 而 在 生 理 方 面, 它 會 令 細 胞 不 正 常 的 生 長, 更 有 可 能 引 致 癌 症, 不 過 這 些 影 響 是 不 會 遺 傳 給 下 一 代 的 但 是 病 人 不 必 因 此 對 X 光 檢 查 心 存 恐 懼 數 據 顯 示, 病 人 在 一 般 的 X 光 檢 查 中 所 接 受 的 輻 射 劑 量 是 極 之 微 少 的, 對 身 體 造 成 傷 害 的 機 會 很 低 另 外, 放 射 技 師 在 適 當 情 形 下, 亦 會 利 用 鉛 片 (lead sheet) 或 性 腺 屏 - 1 -
蔽 (gonad shield), 覆 蓋 著 一 些 接 近 X 光 照 射 的 部 位, 以 減 低 病 人 所 接 受 的 散 射 輻 射 (scattered radiation) 協 助 病 人 照 X 光 的 人 仕 都 會 有 鉛 圍 裙 (lead apron) 穿 著, 以 作 保 護 ( 圖 一 )X 光 輻 射 量 < 三 > 三 十 日 制 : 因 為 X 光 有 可 能 對 胎 兒 造 成 不 良 影 響, 所 以 凡 有 機 會 懷 孕 的 婦 女, 在 接 受 腹 部 及 盆 骨 部 位 的 X 光 檢 查 時, 放 射 技 師 都 會 問 及 她 們 最 近 一 次 來 經 的 時 間, 以 確 保 她 們 接 受 有 關 的 X 光 檢 查 是 安 全 的 三 十 日 制 就 是 用 來 判 斷 婦 女 是 否 適 宜 接 受 腹 部 及 盆 骨 部 位 X 光 檢 查 的 指 標 ; 根 據 三 十 日 制, 婦 女 來 經 後 的 三 十 天 內 可 以 接 受 X 光 檢 查 因 為 來 經 後 的 首 十 四 天 內, 由 於 沒 有 排 卵 及 懷 孕 的 機 會, 所 以 婦 女 接 受 X 光 檢 查 是 安 全 的 而 在 第 十 四 天 至 三 十 天 期 間, 即 使 懷 孕, 也 只 是 胎 盆 發 展 期, 就 算 接 受 X 光 檢 查, 也 不 會 對 胎 兒 造 成 不 良 影 響 < 四 > 採 集 指 紋 的 新 方 法 : 犯 罪 現 場 採 集 潛 伏 指 紋 的 採 集 方 式, 一 般 是 以, 用 煙 燻 液 體 或 者 粉 末 對 指 紋 上 的 成 分 ( 如 蛋 白 質 胺 基 酸 脂 肪 酸 核 黃 素 等 ) 進 行 處 理, 加 強 其 與 背 景 顏 色 的 差 異, 使 其 從 背 景 中 顯 現 出 來 然 而 在 一 些 物 質 如 皮 革 塑 膠 和 布 料 上 的 指 紋, 或 是 兒 童 不 包 含 油 脂 或 含 有 易 揮 發 脂 肪 酸 的 指 紋, 有 時 經 前 述 處 理 後 仍 然 無 法 順 利 為 鑑 識 人 員 發 現 為 了 克 服 這 些 問 題, 於 是 以 顯 微 X 光 螢 光 儀 (micro X-ray Fluorescence, MXRF), 對 於 潛 伏 紋 上 殘 留 包 含 鈉 鉀 以 及 氯 等 汗 液 中 的 鹽 成 分, 進 行 元 素 分 析, 並 由 其 不 同 元 素 的 光 譜 圖 形, 來 使 得 被 覆 蓋 於 背 景 中 的 指 紋, 突 顯 出 來 此 顯 現 法 特 別 針 對 指 紋 殘 餘 物 中 的 化 學 元 素, 而 不 同 於 傳 統 著 重 於 改 變 蛋 白 質 或 胺 基 酸 的 結 構 - 2 -
的 顯 現 法 該 團 對 目 前 已 成 功 的 偵 測 出 傳 統 方 式 無 法 順 利 顯 現 出 指 紋 影 像 的 沾 有 護 膚 液 土 壤 唾 液 以 及 防 曬 油 的 指 紋 殘 餘 物 ( 註 一 ) < 四 >X 光 造 成 的 突 變 : 因 為 X 光 具 有 高 能 + 穿 透 力, 照 射 時 會 對 人 體 細 胞 造 成 傷 害, 使 基 因 產 生 改 變 ( 也 就 是 所 謂 突 變 ) ( 圖 2) 果 蠅 經 不 同 劑 量 X 光 照 射 與 誘 導 性 連 突 變 的 關 係 < 五 >X 光 繞 射 分 析 儀 (X-ray Diffractometer) : 一 般 分 析 材 料 結 晶 構 造 的 方 法, 主 要 可 分 為 兩 大 類 : 一 種 是 利 用 電 子 顯 微 鏡 ; 另 一 種 即 為 X 光 繞 射 分 析 法 電 子 顯 微 鏡 的 光 源 是 一 道 經 高 壓 電 場 加 速 的 電 子 束, 再 經 過 一 系 列 的 電 磁 透 鏡, 將 電 子 束 聚 焦 在 極 小 的 面 積 上, 用 以 分 析 材 料 上 微 小 區 域 結 晶 構 造 的 技 術 然 而, 受 限 於 電 子 的 運 動 與 穿 透 能 力, 這 些 分 析 必 須 在 一 個 高 度 真 空 的 環 境 下 進 行, 而 且 試 樣 的 厚 度 必 須 研 磨 到 很 薄 才 行 如 此 的 條 件, 使 得 電 子 顯 微 鏡 試 樣 的 製 作 較 不 容 易, 對 於 某 些 化 學 反 應 或 因 氧 化 腐 蝕 等 所 產 生 的 界 面 層, 特 別 是 具 有 層 狀 結 構, 或 是 其 結 構 強 度, 界 面 結 合 力 薄 弱 的 薄 層 等, 更 增 加 試 片 製 作 上 的 困 難 程 度 X 光 繞 射 分 析 法 的 光 源 為 X 光 射 線,X 光 是 一 種 短 波 長 電 磁 輻 射, 其 波 長 約 為 1A 左 右 由 於 如 此 波 長 之 電 磁 波 是 無 法 以 透 - 3 -
鏡 聚 焦, 使 得 僅 能 用 來 分 析 一 較 大 區 域, 而 獲 得 一 整 體 平 均 的 結 果, 然 而 也 因 如 此, 其 為 提 供 一 非 破 壞 性 的 分 析 方 式, 甚 至 可 在 不 同 的 分 析 條 件, 如 高 溫 低 溫 真 空 高 壓 等 特 殊 環 境 下 進 行 分 析 工 作 如 此 不 但 試 樣 製 作 容 易, 也 比 較 能 獲 得 接 近 其 原 製 造 環 境 或 使 用 狀 況 下 的 結 果 ( 圖 三 ) 各 種 分 析 儀 器 的 功 能 用 途 比 較 表 < 六 > 單 晶 繞 射 : X 射 線 的 波 長 在 10-8 cm(1a) 附 近, 穿 透 力 大, 空 間 解 析 度 高 利 用 此 光 源 可 以 做 各 種 的 分 析, 小 至 分 子 中 原 子 的 距 離 鍵 結 型 態, 大 至 人 體 各 部 位 的 透 視, 可 廣 泛 應 用 於 材 料 結 晶 構 造 鑑 定 醫 學 及 非 破 壞 檢 測 實 務 上 由 於 在 材 料 晶 體 中, 各 結 晶 面 間 的 距 離 與 X 光 的 波 長 的 數 量 級 相 當, 當 X 光 源 照 射 在 一 組 平 行 結 晶 面 (hkl) 上 時, 兩 鄰 近 面 在 入 射 及 繞 射 光 之 光 程 差 為 波 長 的 整 數 倍 時, 會 呈 現 加 乘 效 應, 即 符 合 布 拉 格 公 式 (Bragg's law) 2dsinθ= nλ 的 關 係 ; 其 中, d 為 鄰 近 平 行 結 晶 面 (hkl) 兩 平 行 面 間 的 距 離,θ 為 入 射 光 與 平 面 的 夾 角,λ 為 - 4 -
X 光 源 的 波 長,n 為 任 意 整 數 當 光 程 差 是 λ 的 整 數 倍 時, 呈 現 加 成 效 應 ; 而 若 光 程 差 非 λ 之 整 數 倍 時, 視 為 削 減 效 應 由 此, 可 預 期 繞 射 峰 另 在 特 定 的 θ 產 生 為 滿 足 Bragg 繞 射 公 式, 必 須 滿 足 下 列 兩 個 條 件 第 一 入 射 光 繞 射 光 與 晶 體 平 行 面 之 法 線 這 三 個 向 量 需 在 同 一 平 面 第 二 欲 測 面 的 法 線 平 分 入 射 光 與 繞 射 光 的 夾 角 ( 圖 四 ) 單 晶 繞 射 ( 圖 五 ) 單 晶 繞 射 < 七 > 胸 部 X 光 : 胸 部 X 光 是 急 診 室 最 常 做 的 檢 查, 但 是 對 於 一 本 手 冊 而 言, 不 可 能 將 所 有 的 胸 部 異 常 做 詳 盡 的 描 述 ; 再 說, 急 診 室 中 90% 的 胸 腔 X 光 檢 查 需 求, 在 臨 床 上 歸 納 出 來 只 有 10 個 問 題 ( 註 二 ) 近 年 來, 頭 顱 X 光 已 經 比 較 少 照, 但 不 可 避 免 的, 在 小 兒 急 診 裡, 小 兒 科 或 急 診 科 的 醫 師 對 於 一 個 受 傷 的 小 朋 友, 還 是 會 要 求 照 頭 顱 X 光 片 來 做 判 讀 ; 閱 片 不 足 常 導 致 有 害 的 結 果, 比 如 說 副 顱 縫 可 能 被 解 釋 成 不 正 常 的 現 象, 或 是 骨 折 被 看 成 正 常 的 顱 縫 或 發 展 中 的 顱 溝 ( 註 三 ) < 七 >X 光 在 醫 學 界 的 用 途 : 自 從 X 光 在 1895 年 被 發 現 後, 醫 學 界 便 廣 泛 利 用 它 作 診 斷 用 途 X 光 擁 有 能 穿 透 物 質 的 特 性, 相 同 的 X 光 能 量, 對 於 不 同 密 度 的 物 質, 有 不 同 的 穿 透 能 力 因 為 人 體 的 器 官 及 骨 骼 有 著 不 同 的 密 度, 當 X 光 投 射 及 穿 透 人 體 某 個 部 位 後, 便 能 在 菲 林 (X 光 片 ) 上 造 成 深 淺 不 同 的 影 像 這 些 影 像 對 於 病 症 診 斷 有 很 - 5 -
大 的 幫 助, 最 常 見 的 檢 查 是 應 用 於 診 斷 骨 折 (fracture) 及 肺 部 的 疾 病 上 近 年, 一 些 介 入 性 (interventional) 而 有 治 療 作 用 的 X 光 檢 查, 也 很 普 遍 < 八 >X 光 檢 查 前 的 準 備 : 病 人 身 上 的 衣 物, 如 胸 圍 頸 鍊 皮 帶 膏 藥 膠 布 衫 鈕 拉 鍊 等, 都 會 阻 擋 X 光 的 穿 透, 在 X 光 片 上 造 成 陰 影 這 些 陰 影 不 單 對 醫 生 的 診 斷 構 成 困 難, 甚 至 有 可 能 引 致 錯 誤 的 診 斷 因 此, 病 人 接 受 某 些 X 光 檢 查 前, 例 如 照 肺 及 照 腰 骨, 便 需 要 適 當 地 更 衣 此 外, 病 人 換 上 醫 院 的 衣 服, 更 能 方 便 放 射 技 師 判 斷 骨 骼 及 器 官 的 位 置, 令 檢 查 順 利 完 成 但 有 些 X 光 檢 查 是 不 需 要 更 衣 的, 例 如 頭 部 及 手 部 的 檢 查, 病 人 只 需 要 脫 去 假 牙 髮 夾 耳 環 頸 鍊 手 錶 介 指 等, 便 可 接 受 檢 查 病 人 應 依 照 指 示 作 適 當 的 準 備, 以 避 免 重 覆 檢 查, 而 引 致 接 受 不 必 要 的 輻 射 < 九 >X 光 為 何 能 產 生 影 像 : X 光 是 利 用 放 射 能, 如 鐳 或 是 鈾 等 放 射 性 物 質 的 輻 射, 收 藏 在 以 鉛 完 主 要 材 料 的 容 器 中, 醫 院 的 X 光 機 使 用 的 放 射 源 很 微 弱, 當 拍 攝 時 容 器 便 會 打 開, 這 時 輻 射 能 就 會 通 過 被 拍 攝 者 的 身 體, 包 括 放 在 身 後 的 X 光 底 片 簡 單 的 說 就 像 是 以 X 光 照 岀 你 的 影 子, 只 不 過 這 影 子 裡 還 有 你 的 內 臟 血 管 骨 骼 沒 消 化 排 泄 完 的 食 物 因 為 身 體 每 一 個 部 位 的 厚 度 密 度 不 同, 所 以 X 光 通 過 的 速 度 和 " 量 " 也 就 不 同, 這 便 在 底 片 上 產 生 了 深 淺 層 次 < 十 >X 光 的 應 用 : 雖 然 科 技 日 益 更 新, 電 腦 斷 層 掃 描 與 核 磁 共 振 之 技 術 也 不 斷 地 在 進 步, 但 X 光 的 重 要 性 歷 久 彌 新, 仍 然 是 最 基 本 的 放 射 線 檢 查, 並 且 也 是 最 常 見 最 常 使 用 到 的 技 術 之 一 具 備 高 水 準 的 X 光 判 讀, 有 助 於 發 現 確 診 或 排 除 疾 病, 偵 測 併 發 症 的 發 生, 提 供 臨 床 上 的 證 據 --- 除 此 之 外, 它 也 是 最 容 易 取 得 最 快 速 最 節 省 成 本 的 技 術 然 而, 精 確 的 X 光 判 讀 之 前 提 是 正 確 掌 握 它 的 基 本 原 則, 現 今 對 斷 層 掃 描 與 核 磁 共 振 的 日 益 依 賴, 難 免 逐 漸 削 弱 了 對 X 光 基 本 原 則 方 面 的 重 視 ( 註 四 ) - 6 -
參 結 論 : 探 討 X 光 的 奧 秘 Q1:x 光 照 攝 安 全 嗎? A1: 拍 攝 x 光 相 片 前, 患 者 須 穿 戴 鋁 衣 防 護, 因 此, 是 非 常 安 全 的 此 外, 使 用 高 速 x 光 底 片 可 將 放 射 線 量 減 低 至 最 少 一 般 x 光 攝 影 一 張 只 有 0.005 侖 目 (rem) 的 放 射 線 量, 而 一 般 人 一 年 的 安 全 劑 量 在 0.5~1 侖 目 下 是 非 常 安 全 的 Q2:X 光 是 甚 麼? A2:X 光 是 一 種 帶 有 能 量 的 電 磁 波 或 輻 射 它 的 波 長 只 有 一 億 萬 份 之 一 厘 米, 肉 眼 是 看 不 見 的 當 高 速 移 動 的 電 子 撞 擊 任 何 形 態 的 物 質 時,X 光 便 有 可 能 產 生 Q3: 一 般 人 每 人 每 年 可 接 受 多 少 幅 射 劑 量? A3: 依 照 目 前 國 際 放 射 防 護 委 員 會 (International commission on Radiological Protection) 簡 稱 為 ICRP 的 推 薦, 一 般 民 眾 輻 射 限 值 為 每 人 每 年 不 得 超 過 5 毫 西 弗 (msv)=(5000 微 西 弗 (?sv)) - 7 -
肆 引 註 資 料 : 探 討 X 光 的 奧 秘 ( 註 一 ) 採 集 指 紋 的 新 方 法 顯 微 X 光 螢 光 法 (micro X-ray Fluorescence) Sciscape 新 聞 編 輯 NanoForensics 報 導 ( 註 二 ) 創 傷 與 急 診 X 光 判 讀 - 急 救 指 引 作 者 :Nigel Raby, Laurence Berman, Gerald de Lacey 譯 者 : 蘇 昱 彰 賴 彥 均 出 版 社 : 金 名 出 版 日 期 :2006 年 10 月 18 日 ( 註 三 ) 創 傷 與 急 診 X 光 判 讀 - 急 救 指 引 作 者 :Nigel Raby, Laurence Berman, Gerald de Lacey 譯 者 : 蘇 昱 彰 賴 彥 均 出 版 社 : 金 名 出 版 日 期 :2006 年 10 月 18 日 ( 註 四 ) 胸 腔 X 光 工 作 指 引 作 者 :Gerald de Lacey 譯 者 : 許 智 偉 王 棋 新 出 版 社 : 台 灣 愛 思 唯 爾 出 版 日 期 :2009 年 12 月 07 日 - 8 -