x-ray

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X射線是由于原子中的電子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的粒子流,是波長介于紫外線和γ射線 之間的電磁輻射。其波長很短約介于0.01~100埃之間。由德國物理學家W.K.倫琴于1895年發現,故又稱倫琴射線。

倫琴射線具有很高的穿透本領,能透過許多對可見光不透明的物質,如墨紙、木料等。這種肉眼看不見的射線可以使很多固體材料發生可見的熒光,使照相底片感光以及空氣電離等效應。波長小于0.1埃的稱超硬X射線,在0.1~1埃範圍內的稱硬X射線,1~100埃範圍內的稱軟X射線。

X射線最初用于醫學成像診斷和 X射線結晶學。X射線也是遊離輻射等這一類對人體有危害的射線。

  • 中文名稱
    X射線
  • 外文名稱
    X-ray、
  • 其他名稱
    倫琴射線、X光
  • 波長範圍
    0.001納米到10納米
  • 性    質
    波粒二象性
  • 頻率範圍
    30 PHz到30EHz
  • 發現者
    德國物理學家W.K.倫琴
  • 特    征
    波長非常短,頻率很高

發現歷史

德國維爾茨堡大學校長兼物理研究所所長倫琴教授(1845~1923年),在他從事陰極射線的研究時,發現了X射線。

1895年11月8日傍晚,他研究陰極射線。為了防止外界光線對放電管的影響,也為了不使管內的可見光漏出管外,他把房間全部弄黑,還用黑色硬紙給放電管做了個封套。為了檢查封套是否漏光,他給放電管接上電源(茹科夫線圈的電極),他看到封套沒有漏光而滿意。可是當他切斷電源後,卻意外地發現一米以外的一個小工作台上有閃光,閃光是從一塊熒光屏上發出的。然而陰極射線隻能在空氣中進行幾個釐米,這是別人和他自己的實驗早已證實的結論。于是他重復剛才的實驗,把屏一步步地移遠,直到2米以外仍可見到屏上有熒光。倫琴認為這不是陰極射線了。倫琴經過反復實驗,確信這是種尚未為人所知的新射線,便取名為X射線。他發現X射線可穿透千頁書、2~3釐米厚的木板、幾釐米厚的硬橡皮、15毫米厚的鋁板等等。可是1.5毫米的鉛板幾乎就完全把X射線擋住了。他偶然發現X射線可以穿透肌肉照出手骨輪廓,于是有一次他夫人到實驗室來看他時,他請她把手放在用黑紙包嚴的照相底片上,然後用X射線對準照射15分鍾,顯影後,底片上清晰地呈現出他夫人的手骨像,手指上的結婚戒指也很清楚。這是一張具有歷史意義的照片,它表明了人類可借助X射線,隔著皮肉去透視骨骼。1895年12月28日倫琴向維爾茨堡物理醫學學會遞交了第一篇X射線的論文"一種新射線--初步報告",報告中敘述了實驗的裝置,做法,初步發現的X射線的性質等等。X射線的發現,又很快地導致了一項新發現--放射性的發現。

倫琴倫琴

自倫琴發現X射線後,許多物理學家都在積極地研究和探索,1905年和1909年,巴克拉曾先後發現X射線的偏振現象,但對X射線究竟是一種電磁波還是微粒輻射,仍不清楚。1912年德國物理學家勞厄發現了X射線通過晶體時產生衍射現象,證明了X射線的波動性和晶體內部結構的周期性,發表了《X射線的幹涉現象》一文。

雙手X光圖片雙手X光圖片

勞厄的文章發表不久,就引起英國布拉格父子的關註,老布拉格(WH.Bragg)已是利茲大學的物理學教授,而小布拉格(WL.Bragg)則剛從劍橋大學畢業,在卡文迪許實驗室。由于都是X射線微粒論者,兩人都嘗試用X射線的微粒理論來解釋勞厄的照片,但他們的嘗試未能取得成功。小布拉格經過反復研究,成功地解釋了勞厄的實驗事實。他以更簡潔的方式,清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成,並提出了著名的布拉格公式:nX=Zdsino這一結果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性,更重要的是證明了能夠用X射線來獲取晶體結構的信息。

1912年11月,年僅22歲的小布位格以《晶體對短波長電磁波衍射》為題向劍橋哲學學會報告了上述研究結果。老布拉格則于1913年元月設計出第一台X射線分光計,並利用這台儀器,發現了特征X射線。小布拉格在用特征X射線分析了一些鹼金屬鹵化物的晶體結構之後,與其父親合作,成功地測定出了金剛石的晶體結構,並用勞厄法進行了驗證。金剛石結構的測定完美地說明了化學家長期以來認為的碳原子的四個鍵按正四面體形狀排列的結論。這對尚處于新生階段的X射線晶體學來說是一個非常重要的事件,它充分顯示了X射線衍射用于分析晶體結構的有效性,使其開始為物理學家和化學家普遍接受。

它是19世紀末20世紀初物理學的三大發現(X射線-1895年、放射線-1896年、電子-1897年)之一,這一發現標志著現代物理學的產生。

原理

產生X射線的最簡單方法是用加速後的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中,電子突然減速,其損失的動能(其中的1%)會以光子形式放出,形成X光光譜的連續部分,稱之為製動輻射。通過加大加速電壓,電子攜帶的能量增大,則有可能將金屬原子的內層電子撞出。于是內層形成空穴,外層電子躍遷回內層填補空穴,同時放出波長在0.1納米左右的光子。由于外層電子躍遷放出的能量是量子化的,所以放出的光子的波長也集中在某些部分,形成了X光譜中的特征線,此稱為特徵輻射。

分類

輻射分類

軔致輻射:當高速電子流撞擊陽極靶受到製動時,電子在原子核的強電場作用下,速度的量值和方向都發生急劇的變化,一部分動能轉化為光子的能量而輻射出去,這就是軔致輻射。

x射線管在管電壓較低的時,被靶阻擋的電子的能量不越過一定限度,隻發射連續光譜的輻射。

特征輻射:一種不連續的,它隻有幾條特殊的線狀光譜,這種發射線狀光譜的輻射叫做特征輻射,特征光譜和靶材料有關。

人體X光圖片人體X光圖片

波長分類

名稱
管電壓(kv)最短波長(nm)主要用途
極軟X射線5~200.25~0.062軟組織攝影、表皮治療
軟X射線20~1000.062~0.012透視和攝影
硬X射線100~2500.012~0.005較深組織治療
極硬X射線250以上0.005以下深部組織治療

特徵

X射線是一種波長極短,能量很大的電磁波,X射線的波長比可見光的波長更短(約在0.001~100納米,醫學上套用的X射線波長約在0.001~0.1納米之間),它的光子能量比可見光的光子能量大幾萬至幾十萬倍。

物理特徵

1、穿透作用。X射線因其波長短,能量大,照在物質上時,僅一部分被物質所吸收,大部分經由原子間隙而透過,表現出很強的穿透能力。X射線穿透物質的能力與X射線光子的能量有關,X射線的波長越短,光子的能量越大,穿透力越強。X射線的穿透力也與物質密度有關,利用差別吸收這種性質可以把密度不同的物質區分開來。

2、電離作用。物質受X射線照射時,可使核外電子脫離原子軌道產生電離。利用電離電荷的多少可測定X射線的照射量,根據這個原理製成了X射線測量儀器。在電離作用下,氣體能夠導電;某些物質可以發生化學反應;在有機體內可以誘發各種生物效應。

3、熒光作用。X射線波長很短不可見,但它照射到某些化合物如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘、鎢酸鈣等時,可使物質發生熒光(可見光或紫外線),熒光的強弱與X射線量成正比。這種作用是X射線套用于透視的基礎,利用這種熒光作用可製成熒光屏,用作透視時觀察X射線通過人體組織的影像,也可製成增感屏,用作攝影時增強膠片的感光量。

4、熱作用。物質所吸收的X射線能大部分被轉變成熱能,使物體溫度升高。

5、幹涉、衍射、反射、折射作用。這些作用在X射線顯微鏡、波長測定和物質結構分析中都得到套用。

化學特徵

1、感光作用。X射線同可見光一樣能使膠片感光。膠片感光的強弱與X射線量成正比,當X射線通過人體時,因人體各組織的密度不同,對X射線量的吸收不同,膠片上所獲得的感光度不同,從而獲得X射線的影像。

2、著色作用。X射線長期照射某些物質如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等,可使其結晶體脫水而改變顏色。

生物特徵

X射線照射到生物機體時,可使生物細胞受到抑製、破壞甚至壞死,致使機體發生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變。不同的生物細胞,對X射線有不同的敏感度,可用于治療人體的某些疾病,特別是腫瘤的治療。在利用X射線的同時,人們發現了導致病人脫發、皮膚燒傷、工作人員視力障礙,白血病等射線傷害的問題,在套用X射線的同時,也應註意其對正常機體的傷害,註意採取防護措施。

套用

醫學上常用作透視檢查,工業中用來探傷。X射線可用電離計、閃爍計數器和感光乳膠片等檢測。X射線衍射法已成為研究晶體結構、形貌和各種缺陷的重要手段。

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