问题

除了x射线,还有别的射线或是技术手段可以透视吗?

回答
当然,除了我们最熟悉的X射线之外,还有不少其他技术手段,它们各有千秋,能够让我们“透视”物质的内部,了解我们肉眼无法直接看到的景象。这些技术在科学研究、医学诊断、工业检测等领域都有着至关重要的作用。

首先,我们来聊聊伽马射线(Gamma Rays)。

伽马射线大家可能对它有点陌生,但其实它和X射线一样,都属于电磁波谱的一部分,并且它们的能量比可见光和X射线都要高得多。正是因为能量极高,伽马射线拥有极强的穿透力。打个比方,如果X射线能穿透一张纸,那么伽马射线就能穿透好几层混凝土。

那么,我们怎么利用它来“透视”呢?

放射性同位素示踪: 这是伽马射线在医学上一个非常重要的应用。我们能将一些人工合成的、会发出伽马射线的放射性同位素(比如用于PET扫描的氟18)注射到人体内。这些同位素会随着血液循环,聚集在身体的某些特定组织或器官,比如肿瘤区域。然后,通过探测器捕捉它们发出的伽马射线,我们就能“看到”这些放射性物质的分布情况,从而判断身体的健康状况。这种技术对于癌症的早期诊断和治疗效果评估尤为关键。
工业检测: 在工业领域,伽马射线也常被用来检测材料内部的缺陷。比如,在焊接检查中,可以用伽马射线照射焊缝,如果焊缝中有裂缝或气孔,伽马射线就会被阻挡或散射得更多,在胶片或探测器上留下“黑影”,从而暴露问题。

接下来,我们看看中子成像(Neutron Imaging)。

中子成像的原理就比较特别了。我们知道物质是由原子组成的,原子又由原子核和电子组成。X射线主要是与物质中的电子相互作用,而中子则主要与原子核相互作用。中子是电中性的粒子,这意味着它们不容易受到电荷的吸引或排斥,所以它们在穿透物质时,行为方式和带电粒子(如X射线光子)有很大不同。

中子成像的优势在于:

对轻元素的敏感性高: 中子对于氢、碳、氧等轻元素有着非常强的穿透力,而X射线对这些元素的穿透力相对较弱。这意味着,用中子成像,我们可以清晰地看到物体中的水、有机物等成分。例如,在文物保护领域,中子成像可以帮助我们无损地探测出隐藏在画作颜料层下的细节,或者木质结构内部的腐蚀情况。
对不同材料的区分能力强: 中子与不同原子核的相互作用方式差异很大,这意味着我们可以根据中子被吸收或散射的情况,非常有效地将不同的材料区分开来。比如,在核工业中,中子成像可以用来检测燃料棒的完整性,区分不同的同位素。
无损检测: 和X射线一样,中子成像也是一种无损检测技术,不会对被检测物体造成损害。

但是,中子成像也有其局限性:

光源获取不易: 产生强而稳定的中子源(如核反应堆或粒子加速器)相对复杂且昂贵,不像X射线发生器那样普及。
探测器技术要求高: 中子不易直接探测,需要特殊的转换材料和探测器。

再来谈谈声学成像(Acoustic Imaging),也就是我们常说的超声波(Ultrasound)。

虽然我们通常是在医院里看到超声波用于产科检查,但它的原理也是一种“透视”技术。超声波是频率高于人耳听觉上限的声波。

它的工作方式是:

发射和接收: 超声探头会发射一束高频声波进入人体或物体内部。这些声波在遇到不同密度的组织或界面时,一部分会穿透,另一部分会被反射回来。
成像: 探头会同时接收这些反射回来的声波(回声)。通过计算声波从发射到返回的时间以及回声的强度,以及声波在介质中的传播速度,计算机就能绘制出内部结构的图像。
特点: 超声波成像的优势在于它安全无辐射,价格相对较低,且能够实时显示动态过程。它对软组织的成像效果非常好,因此在医学上广泛应用于妇产科、腹部器官、心脏、血管等的检查。在工业上,超声波也常被用来检测材料内部的裂纹、孔洞等缺陷。

不过,超声波也有其局限性:

穿透力受限: 声波在穿透人体组织时会衰减,对于骨骼、肺部等含有大量气体或密度极高的部位,超声波的穿透力会大大降低,成像效果也就不那么理想。
成像分辨率: 相对于X射线,超声波的成像分辨率有时会稍显不足。

最后,不得不提的是一种更先进的、基于光学原理的成像技术——光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography, OCT)。

OCT是一种利用低相干性光波来获得物体深度信息的成像技术。它的原理类似于超声波,但是用光波代替了声波。

它是怎么工作的呢?

干涉原理: OCT系统将一束光分成两束,一束射向被测物体,另一束射向一个参考反射镜。当这两束光在分光器处重新汇合时,如果它们的传播光程差小于光的相干长度,就会发生干涉。
深度成像: 通过扫描物体,并记录不同深度反射回来的光与参考光发生干涉的信号强度,就可以构建出物体内部的横截面图像。
优势: OCT最重要的优势在于它具有很高的轴向分辨率(可以达到微米级别),能够提供非常精细的内部结构细节。而且它也是一种无损、无辐射的成像技术。
应用: OCT在医学上主要用于眼科(观察视网膜、角膜等结构)、皮肤科、牙科以及内窥镜检查等领域。它能清晰地显示细胞层级的信息,对于疾病的诊断和研究有着重要意义。

除了以上这些,还有一些其他技术,比如电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography, EIT),它通过测量物体表面不同电极之间的电流和电压来推断内部的电导率分布,从而成像。这种技术在医学上用于监测肺部通气情况,或者在工业上检测材料内部的均匀性。

总而言之,虽然X射线是我们最熟悉的“透视”工具,但科学的进步不断为我们提供了更多探索未知世界的手段。每一种技术都有其独特的优势和适用范围,就像医生会根据病情选择不同的检查方法一样,科学家和工程师也会根据研究对象和目的,选择最适合的“透视”技术。这些技术共同构成了我们深入了解物质世界不可或缺的工具箱。

网友意见

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主要是这些:电磁波、机械振动、核辐射以及正电子发射计算机断层扫描(Positron emission tomography,简称PET)。

电磁波包括射频、可见光、X光以及伽马射线;

机械振动主要是超声波(A, B, M 和多普勒);

核辐射其实是粒子和电磁波的混合, 一般叫核素扫描。


射频常见的是核磁共振。

血氧饱和度用的是红光。

CT 和 X 片用的 X 光。

伽马射线用于工业探伤。

电子也能透视, 不过只适用于极薄的切片, 类似可见光的显微镜语境。





放射性核素是具有放射性的化学物质。注入小剂量的放射性核素。核素发出的辐射由放置在人体特定区域的扫描仪吸收。扫描仪可以对辐射位置以及辐射强度进行拍照。

PET扫描是非侵入性的,但会暴露放射性核素/同位素下。放射剂量很少,通常在7个毫单位西弗(mSv)左右。在临床应用领域,PET一般与CT同时运用,PET/CT是现在商业PET的主要形式。

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