เชื่อว่าใครหลายคนคงเคยใช้มือทั้งสองข้างสร้างเงาเป็นรูปสัตว์ต่าง ๆ บนผนังห้องหรือพื้นถนน มือที่บดบังแสงจากแหล่งกำเนิดแสงจนเกิดเป็นเงานั้นเป็นหนึ่งในตัวอย่างที่ดีสำหรับความรู้เรื่องแสงและการเกิดเงา ซึ่งภาพเอกซเรย์ก็มีหลักการที่คล้ายคลึงกัน เพียงแต่ต้องใช้รังสีที่คุณสมบัติทะลุทะลวงผ่านวัตถุต่าง ๆ รวมทั้งร่างกายของมนุษย์ได้อย่างรังสีเอกซ์ในการทำให้เกิดเงา

ภาพที่ 1 การสร้างเงามือ
ที่มา Harlingenboeit/Pixabay

          รังสีเอกซ์เป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Radiation) เช่นเดียวกับแสงที่ตามองเห็นได้ แต่มีความแตกต่างในเรื่องของความยาวคลื่น โดยรังสีเอกซ์มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 0.1-10 นาโนเมตร รังสีเอกซ์มีคุณสมบัติในการทะลุทะลวงผ่านวัตถุต่าง ๆ รวมถึงเนื้อเยื่อและอวัยวะภายในร่างกายได้ มนุษย์จึงใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติดังกล่าวในงานด้านต่าง ๆ โดยเฉพาะด้านการแพทย์ และด้านอุตสาหกรรม

       กระบวนการที่ทำให้เกิดรังสีเอกซ์มีอยู่ด้วยกัน 2 กระบวนการดังนี้

1. Characteristic X-ray emission หรือ X-ray fluorescence เป็นกระบวนการเกิดรังสีเอกซ์ เมื่อกระแสอิเล็กตรอนชนเข้ากับอิเล็กตรอนของธาตุบนเป้าโลหะ (ทังสเตน) ทำให้อิเล็กตรอนของธาตุหลุดออกจากวงโคจร เป็นผลให้อิเล็กตรอนจากวงโคจรที่อยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าวิ่งเข้าไปแทนที่ และปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีเอกซ์ โดยเรียกรังสีเอกซ์ที่เกิดจากกระบวนการนี้ว่า รังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ (Characteristic X-rays)  ซึ่งหลักการนี้ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในเครื่องฉายรังสีเอกซ์ที่ใช้งานกันทั่วไปในโรงพยาบาล
2. Bremsstrahlung รังสีเอกซ์จากกระบวนการนี้เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนพลังงานสูงวิ่งด้วยความเร็วเข้าใกล้นิวเคลียสซึ่งมีประจุบวก เป็นผลให้ให้อิเล็กตรอนเปลี่ยนความเร็วหรือทิศทางลง ทำให้มีการปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือโฟตอน เป็นรังสีเอกซ์ในรูปแบบของสเปกตรัมที่มีความต่อเนื่องหรือที่เรียกว่า เบรมส์ชตราลุง (Bremsstrahlung)

การค้นพบรังสีเอกซ์  

           รังสีเอกซ์ (X-ray) ถูกค้นพบด้วยความบังเอิญโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน วิลเฮล์ม เรินต์เกน (Wihelm Roentgen) ในปีค.ศ. 1895 ขณะทำการศึกษาทดลองเกี่ยวกับรังสีแคโทด โดยเขาสังเกตเห็นว่ามีการเรืองแสงเกิดขึ้นบนผนังของหลอดแคโทดในขณะที่มีการปล่อยลำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งเมื่อพันรอบหลอดแคโทดด้วยกระดาษแข็งสีดำเพื่อปิดกั้นลำแสงไม่ให้หลุดลอดออกมากลับพบว่า แสงสามารถทะลุผ่านกระดาษกั้นและเรืองแสงบนจอภาพได้ เขาจึงได้สันนิษฐานว่า มีรังสีที่มองไม่เห็นซึ่งสามารถทะลุผ่านกระดาษแข็งและเกิดเป็นแสงเรืองบนจอภาพได้ เป็นรังสีชนิดหนึ่งที่ยังไม่มีผู้ใดค้นพบก่อน จึงเรียกว่า รังสีเอกซ์ (X-ray)  

           หลังจากนั้นเรินต์เกนได้การทดลองนำวัตถุต่างๆ มาวางกั้นระหว่างหลอดแคโทดกับจอภาพเรืองแสง รวมทั้งมือของเขาด้วย ซึ่งในทันที่ที่วางมือลงหน้าหลอดแคโทด เขาก็ได้พบว่า มีภาพของเงากระดูกนิ้วมือปรากฏขึ้นบนจอภาพ การค้นพบครั้งนี้ไม่เพียงแค่เป็นการค้นพบรังสีเอกซ์ที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ แต่ยังเป็นหนึ่งในการค้นพบที่ยอดเยี่ยมสำหรับความก้าวหน้าทางการแพทย์ที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษย์

รังสีเอกซ์มองเห็นอวัยวะภายในได้อย่างไร?

ภาพที่ 2 เอกซเรย์
ที่มา rawpixel/Pixabay

          ในทางทฤษฎีอะตอมของโบร์ (Niel Bohr) อธิบายได้ว่า อะตอมเป็นอนุภาคที่เป็นองค์ประกอบของธาตุทุกชนิด ซึ่งในแต่ละอะตอมก็จะมีนิวเคลียสเป็นแกนกลาง และมีอิเล็กตรอนวิ่งวนเป็นชั้น ๆ รอบนิวเคลียสของอะตอมตามระดับของพลังงาน โดยรังสีเอกซ์เกิดขึ้นได้จาก
การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานสูงไปยังระดับพลังงานที่ต่ำกว่า กล่าวคือ เมื่ออะตอมของธาตุถูกชนด้วยกระแสอิเล็กตรอนปล่อยออกมา จะทำให้อิเล็กตรอนของธาตุหลุดออกจากชั้นระดับพลังงานเดิม และเป็นผลให้อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าเคลื่อนที่มาแทนตำแหน่งนั้น  และปลดปล่อยพลังงานออกในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือรังสีเอกซ์

ภาพที่ 3 การปลดปล่อยพลังงานของอะตอม
ที่มา https://science.howstuffworks.com/x-ray1.htm

         เมื่อรังสีเอกซ์ผ่านเข้าสู่ร่างกาย เนื้อเยื่อต่างๆ อวัยวะภายใน รวมทั้งกระดูกจะดูดซับรังสีไว้ โดยจะดูดซับในปริมาณที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของสสาร ธาตุเบาจะยอมให้รังสีผ่านไปได้มาก ในขณะที่ธาตุหนักจะดูดซับรังสีไว้  ภาพเอกซเรย์ที่ได้จึงมีเฉดสีขาวและดำที่แตกต่างกัน เช่น แคลเซียมในกระดูกสามารถดูดซับรังสีเอกซ์ได้มากที่สุดจึงทำให้มองเห็นภาพเอกซเรย์กระดูกเป็นสีขาว ส่วนคาร์บอน ไฮโดรเจน และไนโตรเจนในเนื้อเยื่อและอวัยวะภายในดูดซับรังสีได้น้อยกว่าจึงมองเห็นภาพเป็นสีเทา ในขณะที่ออกซิเจนดูดซับรังสีได้น้อยที่สุดจึงมองเห็นปอดเป็นสีขาว

ทำไมจึงตั้งชื่อว่ารังสีเอกซ์?

          วิลเฮล์ม เรินต์เกนทำงานกับรังสีที่มองไม่เห็น (Invisible rays) การรู้ว่ามีอยู่แต่ไม่รู้ว่าเป็นอย่างไร เป็นเหตุผลให้เขาเลือกใช้ตัวอักษร “เอกซ์” (X) เนื่องด้วยในทางคณิตศาสตร์ X หมายถึง สิ่งที่ยังไม่ทราบค่า

แหล่งที่มา

X-ray.
          Retrieved December 27, 2017,
          from https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray

Karen Finlay. (2017, 29 November). Curious Kids: How do x-rays see inside you?
          Retrieved December 27, 2017,
          from https://theconversation.com/curious-kids-how-do-x-rays-see-inside-you-85895

TOM HARRIS. How X-rays Work.
         Retrieved December 27, 2017,
         from https://science.howstuffworks.com/x-ray.htm

ผศ.ปรียา อนุพงษ์องอาจ. การใช้รังสีเอกซ์ในทางการแพทย์.
         Retrieved December 27, 2017,
         from http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/quantum/quantum2/quantum_24.htm

สุรศักดิ์  พงศ์พันธุ์สุข. (2009,30 April). ชื่อนี้มีที่มา ( 18 ) รังสีเอกซ์ (X-rays).
          Retrieved December 27, 2017,
          from http://www0.tint.or.th/nkc/nkc52/nstkc045.html