身近な物理学…「レントゲン写真」で骨が写るのはなぜか【物理のプロが解説】 (写真はイメージです/PIXTA)

健康診断でもおなじみのX線やCTなどを用いた放射線治療は、私たちにとって身近な存在です。本記事では、そんな放射線治療の仕組みと人体に与える影響について、京都大学名誉教授の鎌田浩毅氏と関西大手予備校「研伸館」講師の米田誠氏が、物理学の観点からわかりやすく解説します。

"未知の放射線"がそのまま定着…「X線」の歴史

体にメスを入れずに内部を観察する医療技術には内視鏡があります。

 

しかし体内を覗ける技術は内視鏡だけではありません。X線(レントゲン)撮影装置や、CT、MRIも、体の中を画像や映像にすることができます。

 

定期健康診断でもおなじみのレントゲン写真は、専門的には「単純線検査」と呼ばれ、体の中を覗く技術の中でも最古のものです。

 

その開発は1895年、ドイツの物理学者ヴィルヘルム・レントゲン(1845〜1923)によるX線の発見にさかのぼります。世界最初のX線写真は、X線の発見から数日後に撮影された、レントゲンの妻であるベルタ夫人の手の骨(と指輪)の写真でした。

 

レントゲンの技術はまたたく間に世界中に広がっていき、日本でも1896年には島津製作所の二代目社長であり発明家の島津源蔵(1869〜1951)が国内初のX線写真撮影に成功しています。ちなみに、島津製作所の初代社長である「初代島津源蔵」は、この島津源蔵の父親です。1894年に初代が急死し、長男の梅次郎が源蔵を襲名したのです。

 

こうして世界に広まっていったレントゲン写真ですが、実はレントゲン自身も、なぜ骨の透視写真が撮影できるのかはよくわかっていませんでした。

 

そこで彼は、この得体の知れない「未知の放射線」を仮称として「X(未知の)線」と名づけたのですが、それがそのまま呼称として定着してしまったというわけです。

 

その後、X線が非常に強い透過性を持つ〝目に見えない光の一種(電磁波)〟であることが明らかにされます。それは、レントゲンの同僚であるドイツのマックス・フォン・ラウエ(1879〜1960)によってでした。

 

では、レントゲン写真はどのような仕組みによって撮影されるのでしょうか?

レントゲン写真で骨が見えるワケ

X線によるレントゲン写真の仕組みを説明する前に、まずフィルムカメラの写真撮影をイメージしてみてください。

 

そもそもフィルムカメラの写真は、フィルムが光によって感光する(光の照射によって化学変化を起こす)ことで、できあがります。私たちの目に見える光(可視光線)は電磁波の一種であり、この電磁波には感光フィルムを変色させる性質があるのです。

 

では、X線はどうかというと、こちらも電磁波の一種です。つまり、X線も光(可視光線)と同様に、感光フィルムを変色させるのです。

 

人体は部位によってX線を通す(透過する)度合いが異なり、筋肉や軟骨、皮膚などは光を透過しやすい反面、骨はとても透過しづらい性質を持ちます。また、感光フィルムには、より強いX線が当たるほど黒くなるという性質があります。

 

この双方の特性によって、レントゲン写真は[図表1]のように、X線が透過しづらい骨の部分が、白く映るのです。

 

[図表1]胸部X線写真の例

 

ちなみに、骨のX線透過度合いが低いのは、骨に大量に含まれるカルシウムのせいです。X線は金属に吸収されやすい性質を持っているのですが、実はカルシウムは金属の一種です。

 

健康診断などで胸部レントゲン写真を撮る際に、腰に鉛などの金属が入った防護エプロンを巻くのも、不必要な部位へのX線被ばくを防ぐためです。

 

[図表2]レントゲン写真の仕組み

 

[図表2]のように、X線は人体を直線的に透過した後に感光フィルムに達します。このとき人体の部位によってX線の透過度合い(吸収されやすさ)が異なることから、前述の通り、感光フィルムに達するX線にも強弱が現われ、その陰影がレントゲン写真に映し出されるのです。

 

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    京都大学 名誉教授

    1955年東京生まれ。東京大学理学部卒業。通産省主任研究官、京都大学大学院人間・環境学研究科教授を経て、現在京都大学レジリエンス実践ユニット特任教授・同名誉教授。専門は火山学、地球科学、科学教育。「京大人気No.1教授」の「科学の伝道師」。

    著書は『100年無敵の勉強法』(ちくまQブックス)、『理系的アタマの使い方』(PHP 文庫)、『新版 一生モノの勉強法』(ちくま文庫)、『火山噴火』(岩波新書)、『地球の歴史』(中公新書)、『一生モノの英語勉強法』(吉田明宏氏との共著、祥伝社新書)などのほか、研伸館との共著に『一生モノの受験活用術』(祥伝社新書)がある。

    YouTube「京都大学オープンコースウェア」で『京都大学最終講義』動画を公開中。

    著者紹介

    研伸館 専任講師

    1977年生まれ。兵庫県西宮市出身。大阪大学大学院修了(修士[工学])。三菱重工業株式会社での設計業務を経て、現在関西の大学受験予備校「研伸館」にて物理の学習指導に携わる。東大・京大をはじめ、難関大学志望の高校生や灘中・灘高の学校準拠クラスを指導するなど、幅広いレベル・学年の講座を担当。イメージに頼らず、基礎から体系的に知識・論理的思考力を構築していく指導をモットーとする。

    YouTube「研伸館オンライン」チャンネルにて、『物理のワンポイント講義』動画を現在公開中。鎌田浩毅・研伸館共著の『一生モノの受験活用術』(祥伝社新書)にて物理の記事を執筆。

    著者紹介

    連載「物理」で日常のみえかたが変わる…身近な医療技術を物理学の視点から徹底解説!

    本連載は鎌田浩毅氏米田誠氏の共著『一生モノの物理学』(祥伝社)から一部を抜粋し、再編集したものです。

    一生モノの物理学 文系でもわかるビジネスに効く教養

    一生モノの物理学 文系でもわかるビジネスに効く教養

    鎌田 浩毅・米田 誠

    祥伝社

    京都大学名誉教授の鎌田浩毅氏と、関西の大手予備校「研伸館」の専任講師の米田誠氏という、二人の「理系を教えるプロフェッショナル」がビジネスパーソン向けに執筆した本書は、医療や日常の中にあるテクノロジーを題材にしな…

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