X射线简介

 



X射线(又被称为爱克斯射线、伦琴射线或X光)是一种波长范围在0.001纳米到10纳米之间(对应频率范围30 PHz到3EHz))的电磁辐射形式。X射线最初用于医学成像诊断和 X射线结晶学。X射线也是电离性辐射 等这一类对人体有危害的射线。

早期X射线重要的研究者有Ivan Pului教授、威廉·克鲁克斯爵士、约翰·威廉·希托夫、Eugene Goldstein、海因里希·魯道夫·赫茲、菲利普·莱纳德、亥姆霍茨、尼古拉·特斯拉、爱迪生、Charles Glover Barkla、馬克思·馮·勞厄和威廉·康拉德·伦琴.

物理学家希托夫观察到真空管中的阴极发出的射线。当这些射线遇到玻璃管壁会产生荧光。1876年这种射线被Eugene Goldstein命名为"阴极射线" 。随后,英国物理学家克鲁克斯研究稀有气体里的能量释放,并且制造了克鲁克斯管。这是一种玻璃真空管,内有可以产生高电压的电极。他还发现,当将未曝光的相片底片靠近这种管时,一些部分被感光了,但是他没有继续研究这一现象。1887 年4月,尼古拉·特斯拉开始使用自己设计的高电压真空管与克鲁克斯管研究X光。他发明了单电极X光管,在其中电子穿过物质,发生了现在叫做韧致辐射的效应,生成高能X光射线。1892年特斯拉完成了这些实验,但是他并没有使用X光这个名字,而只是笼统成为放射能。他继续进行实验,并提醒科学界注意阴极射线对生物体的危害性,并他没有公开自己的实验成果。1892年赫兹进行实验,提出阴极射线可以穿透非常薄的金属箔。赫兹的学生倫納德进一步研究这一效应,对很多金属进行了实验。亥姆霍兹则对光的电磁本性进行了数学推导。

1895年11月8日德国科学家伦琴开始进行阴极射线的研究。1895年12月28日他完成了初步的实验报告“一种新的射线”。他把这项成果发布在 維爾茨堡's Physical-Medical Society 杂志上. 为了表明这是一种新的射线,伦琴采用表示未知数的X来命名。很多科学家主张命名为伦琴射线,伦琴自己坚决反对,但是这一名称仍然有人使用。1901年伦琴获得诺贝尔物理学奖。

1895年爱迪生研究了材料在X光照射下发出荧光的能力,发现钨酸钙最为明显。1896年3月爱迪生发明了荧光观察管,后来被用于医用X光的检验。然而1903年爱迪生终止了自己对X光的研究。因为他公司的一名玻璃工人喜欢将X光管放在手上检验,得上了癌症,尽管进行了截肢手术仍然没能挽回生命。1906年物理学家贝克勒耳发现X射线能够被气体散射,并且每一种元素有其特征 X谱线。他因此获得了1917年诺贝尔物理学奖.

在20世纪80年代,X射线激光器被设置为罗纳德·里根总统的战略主动防御计划的一部分。然而对该装置(一种类似激光炮,或者死亡射线的装置,由热核反应提供能量)最初的、同时也是仅有的试验并没有给出结论性的结果。同时,由于政治和技术的原因,整体的计划(包括X射线激光器)被搁置了(然而该计划后来又被重新启动——使用了不同的技术,并作为布什总统国家导弹防御计划的一部分)。

在20世纪90年代,哈佛大学建立了Chandra X射线天文台,用来观测宇宙中强烈的天文现象中产生的X射线。与从可见光观测到的相对稳定的宇宙不同,从X射线观测到的宇宙是不稳定的。它向人们展示了恒星如何被黑洞绞碎,星系间的碰撞,超新星,中子星(that build up layers of plasma that then explode into space)。

X射线的产生

X射线波长略大于0.5纳米的被称作软X射线。波长短于0.1纳米的叫做硬X射线。硬X射线与波长长的(低能量)伽马射线范围重叠,二者的区别在于辐射源,而不是波长:X射线光子产生于高能电子加速,伽马射线则来源于原子核衰变.

产生X射线的最簡單方法是用加速后的電子撞击金属靶。撞击过程中,电子突然减速,其损失的动能会以光子形式放出,形成X光光谱的连续部分,稱之為制動輻射。通过加大加速电压,电子携带的能量增大,则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴,外层电子跃迁回内层填补空穴,同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的,所以放出的光子的波长也集中在某些部分,形成了X光谱中的特征线,此稱為特性輻射。


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