W grudniu 1895 roku Wilhelm Conrad Röntgen położył dłoń swojej żony na płytce fotograficznej i przepuścił przez nią promienie, których wcześniej nikt nie zauważył. Po wywołaniu zobaczył kości i pierścień, a wokół nich mglisty zarys ciała. Ten obraz przeszedł do historii jako pierwszy rentgenogram, choć nie był fotografią wnętrza ręki. Był cieniem, a każda jaśniejsza i ciemniejsza plama brała się z tego, ile promieni zatrzymała po drodze konkretna tkanka.[1]
Ekran, który świecił przez czarny karton
Do odkrycia doszło kilka tygodni wcześniej, 8 listopada, w zaciemnionym laboratorium Instytutu Fizyki uniwersytetu w Würzburgu. Röntgen badał rury wyładowcze, szklane naczynia z rozrzedzonym gazem, przez które przepuszczano prąd o bardzo wysokim napięciu. Żeby wykluczyć wpływ światła, owinął rurę szczelnym czarnym kartonem. W pokoju panowała ciemność, a pokryty platynocyjankiem baru ekran i tak rozświetlał się przy każdym wyładowaniu, nawet dwa metry od rury.[2]
Karton zatrzymywał światło widzialne i ultrafioletowe, więc przez tekturę musiało przechodzić coś innego. Röntgen zaczął sprawdzać, co nowe promieniowanie przepuszcza, a co zatrzymuje. Książka o tysiącu stron nie stanowiła dla niego przeszkody, podobnie deski sosnowe grubości dwóch, trzech centymetrów. Piętnastocentymetrowy blok aluminium wyraźnie osłabiał wiązkę, a półtora milimetra ołowiu zatrzymywało ją niemal całkowicie. Kiedy między rurę i ekran trafiła ręka, w ledwie widocznym cieniu dłoni pojawiły się ciemniejsze cienie kości.
Gęstość nie tłumaczyła jednak wszystkiego. Kalcyt, czyli węglan wapnia, przepuszczał promienie gorzej niż szkło, kwarc i aluminium o zbliżonej gęstości. Röntgen zapisał ten wynik osobno, bo pokazywał, że liczy się nie tylko masa przypadająca na centymetr sześcienny, ale i skład materiału.
Wapń w kości, woda w mięśniach
Współczesna fizyka tłumaczy różnicę w dwóch krokach. Pierwszy to efekt fotoelektryczny: foton promieniowania X zostaje pochłonięty przez atom, a jego energia wybija elektron z wewnętrznej powłoki. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia rośnie w przybliżeniu z trzecią potęgą liczby atomowej pierwiastka i maleje z trzecią potęgą energii fotonu.[3]
Kość zawiera dużo wapnia, a wapń ma liczbę atomową 20. Tkanki miękkie zbudowane są głównie z wodoru, węgla, azotu i tlenu, czyli pierwiastków o liczbach atomowych od 1 do 8. Skuteczna liczba atomowa tkanki miękkiej wynosi około 7,5, a dla kości jest wyraźnie wyższa. Do tego dochodzi gęstość: w kości na tej samej drodze wiązki stoi więcej atomów. Oba efekty działają w tę samą stronę.
Przy energiach używanych w diagnostyce duża część osłabienia wiązki pochodzi jednak nie z absorpcji, a z rozpraszania na elektronach, które prawie nie zależy od liczby atomowej. Kontrast kości bierze się więc w dużej mierze z absorpcji fotoelektrycznej, a jej udział rośnie, gdy fotony mają niższą energię. To dlatego kontrast na zdjęciu zależy od energii wiązki, a nie tylko od samej kości.
Z tego samego powodu tak wyraźnie widać pierścień. Metale mają zwykle wysokie liczby atomowe i zatrzymują promieniowanie skuteczniej niż kości czy tkanki miękkie. Dziś do kontrastu w jelitach używa się baru, a w naczyniach jodu, pierwiastków cięższych od wapnia.
Prawo, które opisuje cień
Osłabienie wiązki opisuje prawo wykładnicze: po przejściu przez warstwę materiału zostaje określony ułamek fotonów, a wynik zależy od grubości, gęstości i składu. W zestawieniach NIST współczynnik osłabienia jest sumą wkładów efektu fotoelektrycznego, rozpraszania i kreacji par elektron-pozyton, a dla mieszanin liczy się go z udziałów masowych składników.[4]
Zdjęcie bez obiektywu
Röntgen próbował skupić nowe promienie soczewką i pryzmatem. Nie udało się: wiązka nie załamywała się jak światło, a szklana soczewka nie zagęszczała jej w ognisko. W swojej pracy napisał wprost, że po tych próbach widać, iż promieni X nie można skupić soczewkami.
Dlatego obraz powstaje jak cień rzucany na ścianę, a nie jak zdjęcie zrobione aparatem. Rura jest źródłem promieni, obiekt leży między nią a detektorem, a detektor rejestruje, ile fotonów dotarło do każdego punktu. Taki rzut jest płaski: struktury leżące jedna za drugą nakładają się na siebie, a żadna soczewka nie pomoże ich rozdzielić. To tłumaczy, dlaczego na pierwszych zdjęciach kości wyglądają jak rysunek, a nie jak fotografia wnętrza.[5]
Ciemne kości na papierze, jasne na ekranie
Tu pojawia się pozorna sprzeczność. Na ekranie fluorescencyjnym, który oglądał Röntgen, kości były ciemniejsze od otoczenia, bo docierało do nich mniej promieni. Na kliszy fotograficznej działa to odwrotnie: mniej promieni oznacza mniej zaczernionego srebra, więc po wywołaniu takie miejsce jest jaśniejsze. Na odbitce pozytywowej, takiej jak zachowane odbitki w zbiorach Wellcome, kości znów wychodzą ciemne. Dzisiejsze zdjęcia pokazuje się zwykle w konwencji odwrotnej: miejsca, które pochłonęły więcej promieni, są białe.
Czego Röntgen jeszcze nie wiedział
Nazwa „promienie X” wzięła się z niewiedzy, bo X bywa symbolem niewiadomej. Röntgen ustalił, że promienie powstają tam, gdzie promienie katodowe, czyli strumień elektronów, uderzają w szklaną ściankę rury, i że nie są tym samym co te elektrony. Nie wiedział, czym są. Dopiero w 1912 roku Max von Laue ze współpracownikami pokazał, że to fale elektromagnetyczne, takie jak światło, tylko o znacznie wyższej częstotliwości.
W 1901 roku Röntgen otrzymał pierwszą w historii Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Cena, którą zapłacili pierwsi
Skutki zdrowotne wyszły na jaw szybko. W ciągu kilku tygodni od odkrycia pojawiły się pierwsze opisy oparzeń i stanów zapalnych skóry. Asystent Thomasa Edisona, Clarence Dally, zmarł w 1904 roku na nowotwór, który rozwinął się po latach pracy z promieniami. Fizyk Elihu Thomson przez kilka dni wystawiał własny palec na bezpośrednią wiązkę, żeby sprawdzić, czy objawy naprawdę pochodzą od promieni, i opisał ból oraz obrzęk. W 1897 roku powstał komitet, który miał zbadać szkodliwe działanie promieni X.[6]
Z tamtego okresu pochodzą pierwsze zasady ochrony: krótsze ekspozycje, większa odległość od rury, filtrowanie wiązki i osłony z ołowiu. Współczesne aparaty projektuje się tak, żeby dawka była jak najmniejsza przy zachowaniu kontrastu. Sama zasada obrazowania się nie zmieniła.
Ten sam cień w tomografie
Tomografia komputerowa dokłada do tego obrót i obliczenia. Wiązka przechodzi przez ciało z wielu kierunków, a komputer składa z pomiarów przekrój. Kontrast nadal bierze się z tego samego, co w 1895 roku: kość zatrzymuje więcej fotonów niż mięsień, a różnica trafia do detektora i do obrazu. Zdjęcie dłoni Berthy Röntgen było pierwszym, w którym tę różnicę zobaczono.
Źródła
- Nobel Prize Outreach, „Wilhelm Conrad Röntgen – Biographical”, NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1901/rontgen/biographical/
- Wilhelm Conrad Röntgen, „Ueber eine neue Art von Strahlen (Vorläufige Mittheilung)”, Sitzungsberichte der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft, 1895. https://de.wikisource.org/wiki/Ueber_eine_neue_Art_von_Strahlen_(Vorl%C3%A4ufige_Mittheilung)
- J. Anthony Seibert, John M. Boone, „X-Ray Imaging Physics for Nuclear Medicine Technologists. Part 2: X-Ray Interactions and Image Formation”, Journal of Nuclear Medicine Technology, 2005. https://tech.snmjournals.org/content/33/1/3
- National Institute of Standards and Technology, „X-Ray Mass Attenuation Coefficients, Section 2”. https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/chap2.html
- Paul Peter Urone, Roger Hinrichs, „College Physics 2e, 30.4 X Rays: Atomic Origins and Applications”, OpenStax, 2022. https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/30-4-x-rays-atomic-origins-and-applications
- John Boice, Lawrence T. Dauer, Kenneth R. Kase, Fred A. Mettler, Richard J. Vetter, „Evolution of radiation protection for medical workers”, British Journal of Radiology, 2020. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7446021/
- Ilustracja: fotoodbitka radiografii dłoni przypisywana Arthurowi Schusterowi, 1896, Wellcome Collection, licencja CC BY 4.0. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hand_by_Arthur_Schuster.jpg, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. Kadr do 16:9 z uzupełnionym tłem i lekko podniesionym kontrastem.
