科学效应-X射线

X射线（X-Rays）源于不列颠百科X-射线是极短波长和高频电磁辐射，其波长范围从10−8到10−12约米，相应的频率从约1016到1020赫兹(Hz)。X-射线通常是由加速（或减速）的带电粒子产生的；例子包括X-射线管中一束电子撞击金属板，以及在同步粒子加速器或存储环中循环的电子束。此外，高度受激原子可以以原子钟能级间隔的离散波长特性发射X-射线。X-射线的电磁波谱范围远在可见光波长范围之外。然而，X-射线穿透材料（包括生物组织）的通路可以被胶片和其他检测器记录下来。人体的X-射线图像分析是非常有价值的医学诊断工具。.图1.在电磁波谱范围内X-射线与其他电磁辐射的关系X-射线是一种电离辐射的形式——当物质相互作用的时候，他们的能量足以导致中性原子逐出电子。通过这种电离过程，X-射线的能量被存储在物质中。当穿过活组织时，X-射线会引起基因、染色体、以及其他细胞组分的有害的生物化学变化。这种电离辐射的生物效应是复杂的，并且高度依赖曝光的长短和强度，目前仍在积极的研究中（参见辐射损伤）X-射线辐射疗法利用这些影响打击恶性肿瘤的生长。x射线是由德国物理学家威廉·康拉德·伦琴发现于1895年在研究电子束(当时称为阴极射线)通过低压气体放电的效应时。伦琴揭示了一个惊人的效应——即是，放置在放电管之外的涂覆了荧光材料的屏幕会发光，即使它避开了气体放电的可见光和紫外光的直接照射。他推断来源于管子的一种看不见的辐射穿透空气导致屏幕发荧光。伦琴能够展示辐射是源于电子束撞击放电管的玻璃窗的点的荧光放置在管和屏幕之间的不透明物体证明对于这种新形式的射线是透明的；伦琴通过产生人手骨骼的摄影图像戏剧性地展示了这个(见照片)。他发现所谓的伦琴射线引起了全球科学和大众的兴奋，而且，与放射性(1896年)和电子(1897)的发现一道，它迎来了原子世界的研究和现代物理学的时代。图2．早期由威廉·康拉德·伦琴大约1896年拍的X光片。——TheGrangerCollection,NewYork基本特征波动性X-射线是电磁辐射的一种形式；它们的基本物理属性与那些更熟悉的电磁波谱成分——可见光、红外辐射、以及紫外辐射是一样的。正如其他形式的电磁辐射一样，X-射线可以被描述为耦合波的电场和磁场以光速行进(约300000千米或186000英里/,每秒)。它们的特征波长和频率可以通过空间中两个或更多的波的叠加造成的干涉效应证明和测量。X-射线也表现出粒子性；它们可以被描述为携带者离散能量和动量的光子流。这种双重特性是所有形式的辐射和物质的属性，并由量子力学理论详尽地描述。1906年，英国物理学家查尔斯·格洛弗·巴克拉通过展示它们可以被来自固体的散射“偏振”，首次演示了X-射线的波动性。偏振指的是横向波的振动方向；所有的电磁波是电场和磁场的横向振动。X-射线的非常短的波长暗示了早期射线穿过狭缝的衍射研究，在1912年，被德国物理学家马克斯·冯·劳厄以及他的学生沃尔特·弗里德里希和保罗·科尼平的开创性工作稳固地建立。劳厄认为晶体中原子的有序排列可以起到天然三维衍射光栅的作用。典型的晶体中原子间距约为1埃(1×10−10米)，在电磁辐射的可比较波长中时产生衍射效应最理想的。弗里德里希和·科尼平已通过拍摄由X-射线穿过硫化锌晶体的通路产生的衍射图样验证了劳厄的预言。这些实验表明，,x-射线的波长约1埃，并且证实了晶体中的原子是以规则的结构排列的。在翌年，英国物理学家威廉·劳伦斯·布拉格设计了非常简单的来自晶体中的平行层原子的X-射线散射模型。布拉格定律表明X射线从晶体最有效地衍射的角度与X-射线的波长和原子层间的距离有关。布拉格的物理学家的父亲,威廉·亨利·布拉格,他的第一个x射线光谱仪的设计基于他儿子的分析。两人利用他们的x射线光谱仪在开创性的研究x-射线波长分布和晶体结构的许多常见固体——成就他们分享1915年的诺贝尔物理学奖。粒子性质在1920年代早期,X-射线从固体衍射的实验研究在确立电磁辐射的粒子性质方面起到了关键的作用。1905年德国物理学家爱因斯坦提出电磁辐射是粒状的，包含量子（后来称为光子），每个量子具有一份等于hf的能量，其中，h是普朗克常数(6.6×10−34焦耳∙秒)，f是辐射的频率。爱因斯坦的假设在随后的光电效应研究中,被丹麦物理学家尼尔斯·玻尔的氢原子模型及其特征发射和吸收光谱(见玻尔原子模型)的成功强烈支持。进一步验证是在1922年当美国物理学家阿瑟·康普顿成功地把源于固体中原子的X-射线散射当做X-射线光子和原子的松散外层电子一系列的碰撞的时候。对于单个光子采用经典的电磁波的动量和能量关系，康普顿用能量守恒和动量守恒的参数导出散射的X-射线的波长位移的表达式作为散射角的函数。在所谓的康普顿效应中,一个碰撞的光子把它的一些能量和动量转移给电子而弹回。散射光子的能量和动量因此必须小于入射光子,导致散射X-射线略低的频率和略长的波长。康普顿仔细测量这个小的作用,再加上他的成功的理论的处理(由荷兰科学家彼得·德拜独立得到),为光子的存在提供了令人信服的证据。电磁波谱的X-射线部分的近似波长范围是10−8到10−图3TheComptoneffectWhenabeamofX-raysisaimedatatargetmaterial,someofthebeamisdeflected,andthescatteredX-rayshaveagreaterwavelengththantheoriginalbeam.ThephysicistArthurHollyComptonconcludedthatthisphenomenoncouldonlybeexplainediftheX-rayswereunderstoodtobemadeupofdiscretebundlesorparticles,nowcalledphotons,thatlostsomeoftheirenergyinthecollisionswithelectronsinthetargetmaterialandthenscatteredatlowerenergy.12米。相当于光子能的范围从约100eV（电子伏特）到1MeV（百万电子伏特）。应用X-射线的特征——他们穿透光学不透明材料的能力，其原子尺度的波长，高单个X-射线光子的高能量——导致了广泛的工业、医疗和科学的应用。专门X-射线源、探测器和分析技术已经开发来解决从最简单的分子的相互作用的研究到人类大脑的结构的一系列问题。身体的X-光片是现代医学中不可或缺的诊断工具。医学影像允许非侵入式检测龋齿、骨骨折、异物和诸如癌症等疾病的情况(见照片).标准的x射线图像很容易区分骨及软组织；注射造影剂——液体或气体对于X-射线是相对不透明的，提供了额外的软组织不同区域之间的反差如图拍摄的照片所示（请参阅诊断成像）。在1970年代，一种强大的新X-射线成像技术，计算机断层扫描（CT），被开发出来。现在正广泛使用，CT扫描产生内部器官和结构的详细的高分辨率横断面图像；他们对于小密度差异比常规的X-射线图像是敏感的多的多。正如其他形式的电离辐射一样，X-射线在活细胞中导致生物化学变化。高能的X-射线光子通过从院子和分析中释放电子存储它们的能量。这些自由电子本身可能电离额外的中性粒子。通过这个过程，形成反应离子和自由基，导致进一步的化学反应。由此产生的辐射诱导的化学能打破分子键所需的细胞生长并可诱导遗传损伤（见辐射损伤）。虽然有重大的健康风险与受到X-射线有关，辐射治疗还是利用上面的作用治疗癌性肿瘤和白血病等血液疾病。X射线（和更高能量的伽玛射线）对准靶组织；随之损害的分子阻止病变细胞的生长。附近的正常细胞，也暴露于电离X-射线，通常更有能力修复。一个相关的应用，在农业生产中用X-射线和伽马射线照射一些食品用于选择性地抑制细菌的生长（见食品保鲜：辐照食品）。X-射线是一种强大的诊断工具,揭示了材料的组成和结构。X-射线图像的伟大功用来源于不同的密度、成分和均匀性的材料的X-射线的吸收差异。在一个常见的应用程序中，X-射线用于快速检查航空公司行李的内容。在工业领域，X-射线图像是用来无损地检测铸件内无法直接观察的缺陷。X-射线显微镜能放大X射线吸收图像，以解析尺度小到约40纳米或约400原子直径的特征。这个解析度，大约是可见光显微镜达到最好的解析度的5倍，有可能是因为小衍射效应与x射线非常短的波长有关。X图4Colour-enhancedX-rayshowingatumour(yellow)oftherightlung.——Athenais/Phototake图5AsynchrotronX-rayimageofthecoronaryarterycirculationofahumansubjecttakenafteranintravenousinjectionofaniodine-basedcontrastingagent.TheangiogramwastakenattheNationalSynchrotronLightSourceatBrookhavenNationalLaboratory射线显微镜通常采用“软”X射线(波长在1-10nm范围)，依靠反射光学(见光谱学:X射线光学)或“波带片”(见光学：滤光片)实现聚焦。因为水在软X射线区域中是相对透明的，这些显微镜对于研究在水相环境中生物材料是理想的。另一个复杂的吸收技术，称为EXAFS(“延伸X射线吸收精细结构”),能够在不稳定的晶体和非晶形固体样品中识别原子和分子的短程有序。X射线衍射技术(或“X射线晶体学”)允许测定无机、有机、和生物材料的晶体结构。高分子脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋的详细的原子结构被詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克通过莫里斯·威尔金的X射线结晶学研究极好地的揭示出来。X射线荧光是一种材料构成定量分析的互补的方法。在这种技术中,一个样品暴露在一电子束或一束原始X射线下；产生的原子激发态导致X射线以样品中元素的波长特征辐射。电子探针使用这个过程来鉴定几微米大小的样品区的成分。X射线荧光和衍射技术对于艺术品的无损分析是有价值的方法。上面的许多技术被现代同步加速器光设备产生的异常高的X射线强度增强了。非常明亮的、短的X射线脉冲,调到选定的波长区域,用于探测表面的化学反应、半导体和磁性材料的电子结构、蛋白质和生物大分子的结构和功能。另一个前景看好的高强度X射线源是X射线激光器。相干X射线在较长波长端的光谱区域已经在实验室中被产生。2009年，在门洛帕克,加利福尼亚州，实现了在直线性连续加速器光源设施发射激光，波长为0.15纳米，但在这样短的波长建设实际设备仍然是一个困难的技术挑战。X-射线的产生和检测X-射线的产生有三个共同的X射线的产生机制：带电粒子的加速,原子离散能级之间的跃迁,以及一些原子核的放射性衰变。每个机制导向X射线辐射的特征光谱。在经典电磁学理论中，加速的电荷发射电磁波。在最常见的地球X射线源，X射线管中，一束高能电子撞击固体靶子。由于高速移动的电子与靶原子的电子和原子核相互作用，它们被反复偏转和减速。在这突然减速的时候,这束电子发射轫致辐射(德国:“制动辐射”)——在X射线区域中的具有峰值强度的连续电磁辐射波谱。大部分在X射线管中辐射的能量包含在这个连续波谱中。更强大的(更大的)的连续的X射线源是同步粒子加速器和存储环。在同步加速器中,带电粒子(通常是电子和正电子)被加速到极高的能量(通常是数十亿电子伏特),然后由强大的磁铁局限于一个封闭的轨道。当带电粒子被磁场偏转(因改变运动方向而加速)，它们发射所谓的同步辐射——一个连续体，其强度和频率分布由磁场强度和环流粒子的能量决定。特别设计的同步加速器光源在世界各地被广泛应用与材料的X射线研究。在X射线管中,除了减速电子辐射的连续光谱外,还有一个靶材料特有的离散的X射线辐射线的光谱。这种“特征辐射”是由快速移动的电子碰撞靶原子的激发引起的。最常见的，碰撞首先导致紧密束缚的内层电子被从原子中逐出；一个松散束缚的外层电子随之落入内层来填补