2019-12-11 18:12:22

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电子物理学
电子物理学
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X射线是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的迁而产生的粒子流,是波长介于紫外线和γ射线之间的电磁辐射。其波长很短约介于0.01~100埃之间。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现,故又称伦琴射线。

伦琴射线具有很高的穿透本领,能透过许多对可见光不透明的物质,如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光,使照相底片感光以及空气电离等效应。波长小于0.1埃的称超硬X射线,在0.1~1埃范围内的称硬X射线,1~100埃范围内的称软X射线。

X射线最初用于医学成像诊断和 X射线结晶学。X射线也是游离辐射等这一类对人体有危害的射线。

2017年10月27日,世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考,X射线和伽马射线辐射在一类致癌物清单中。

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基本信息

  • 中文名

    X射线

  • 外文名

    X-ray

  • 其他名称

    伦琴射线、X光

  • 领 域

    核能

  • 学 科

    核物理、核化学

  • 发现者

    尼古拉·特斯拉以及W.K.伦琴

  • 发现时间

    1895年11月8日

  • 特 征

    波长非常短,频率很高

  • 性 质

    波粒二象性

  • 波长范围

    0.001纳米到10纳米

  • 频率范围

    30 PHz到30EHz

折叠 编辑本段 发现历史

德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授(1845~1923年),在他从事阴极射线的研究时,发现了X射线。

伦琴伦琴1895年11月8日傍晚,他研究阴极射线。为了防止外界光线对放电管的影响,也为了不使管内的可见光漏出管外,他把房间全部弄黑,还用黑色硬纸给放电管做了个封套。为了检查封套是否漏光,他给放电管接上电源(茹科夫线圈的电极),他看到封套没有漏光而满意。可是当他切断电源后,却意外地发现一米以外的一个小工作台上有闪光,闪光是从一块荧光屏上发出的。然而阳极射线只能在空气中进行几个厘米,这是别人和他自己的实验早已证实的结论。于是他重复刚才的实验,把屏一步步地移远,直到2米以外仍可见到屏上有荧光。伦琴认为这不是阴极射线了。伦琴经过反复实验,确信这是种尚未为人所知的新射线,便取名为X射线。他发现X射线可穿透千页书、2~3厘米厚的木板、几厘米厚的硬橡皮、15毫米厚的铝板等等。可是1.5毫米的铅板几乎就完全把X射线挡住了。他偶然发现X射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓,于是有一次他夫人到实验室来看他时,他请她把手放在用黑纸包严的照相底片上,然后用X射线对准照射15分钟,显影后,底片上清晰地呈现出他夫人的手骨像,手指上的结婚戒指也很清楚。这是一张具有历史意义的照片,它表明了人类可借助X射线,隔着皮肉去透视骨骼。1895年12月28日伦琴向维尔茨堡物理医学学会递交了第一篇X射线的论文"一种新射线--初步报告",报告中叙述了实验的装置,做法,初步发现的X射线的性质等等。X射线的发现,又很快地导致了一项新发现--放射性的发现。

自伦琴发现X射线后,许多物理学家都在积极地研究和探索,1905年和190双手X光图片双手X光图片9年,巴克拉曾先后发现X射线的偏振现象,但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射,仍不清楚。1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象,证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性,发表了《X射线的干涉现象》一文。

劳厄的文章发表不久,就引起英国布拉格父子的关注,老布拉格(WH.Bragg)已是利兹大学的物理学教授,而小布拉格(WL.Bragg)则刚从剑桥大学毕业,在卡文迪许实验室。由于都是X射线微粒论者,两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片,但他们的尝试未能取得成功。小布拉格经过反复研究,成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式,清楚地解释了X射线晶体衍射的形成,并提出了著名的布拉格公式:nX=Zdsino这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性,更重要的是证明了能够用X射线来获取晶体结构的信息。

1912年11月,年仅22岁的小布位格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光计,并利用这台仪器,发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后,与其父亲合作,成功地测定出了金刚石的晶体结构,并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件,它充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性,使其开始为物理学家和化学家普遍接受。

它是19世纪末20世纪初物理学的三大发现(X射线-1895年、放射线-1896年、电子-1897年)之一,这一发现标志着现代物理学的产生。[1]

折叠 编辑本段 原理

产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中,电子突然减速,其损失的动能(其中的1%)会以光子形式放出,形成X光光谱的连续部分,称之为制动辐射。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,此称为特性辐射。

折叠 编辑本段 分类

折叠 辐射分类

轫致辐射:当高速电子流撞击阳极靶受到制动时,电子在原子核的强电场作用下,速度的量值和方向都发生急剧的变化,一部分动能转化为光子的能量而辐射出去,这就是轫致辐射。

x射线管在管电压较低的时,被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度,只发射连续光谱的辐射。

特征辐射:一种不连续的,它只有几条特殊的线状光谱,这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射,特征光谱和靶材料有关。 人体X光图片人体X光图片

折叠 波长分类

名称
管电压(kv)最短波长(nm)主要用途
极软X射线5~200.25~0.062软组织摄影、表皮治疗
软X射线20~1000.062~0.012透视和摄影
硬X射线100~2500.012~0.005较深组织治疗
极硬X射线250以上0.005以下深部组织治疗

折叠 编辑本段 特性

X射线是一种波长极短,能量很大的电磁波,X射线的波长比可见光的波长更短(约在0.001~100纳米,医学上应用的X射线波长约在0.001~0.1纳米之间),它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。

折叠 物理特性

1、穿透作用。X射线因其波长短,能量大,照在物质上时,仅一部分被物质所吸收,大部分经由原子间隙而透过,表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关,X射线的波长越短,光子的能量越大,穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关,利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。

2、电离作用。物质受X射线照射时,可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量,根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下,气体能够导电;某些物质可以发生化学反应;在有机体内可以诱发各种生物效应。

3、荧光作用。X射线波长很短不可见,但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时,可使物质发生荧光(可见光或紫外线),荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础,利用这种荧光作用可制成荧光屏,用作透视时观察X射线通过人体组织的影像,也可制成增感屏,用作摄影时增强胶片的感光量。对比图对比图

4、热作用。物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能,使物体温度升高。

5、干涉、衍射、反射、折射作用。这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。

折叠 化学特性

1、感光作用。X射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比,当X射线通过人体时,因人体各组织的密度不同,对X射线量的吸收不同,胶片上所获得的感光度不同,从而获得X射线的影像。

2、着色作用。X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等,可使其结晶体脱水而改变颜色。

折叠 生物特性

X射线照射到生物机体时,可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死,致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞,对X射线有不同的敏感度,可用于治疗人体的某些疾病,特别是肿瘤的治疗。在利用X射线的同时,人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍,白血病等射线伤害的问题,在应用X射线的同时,也应注意其对正常机体的伤害,注意采取防护措施。

折叠 编辑本段 应用

医学上常用作透视检查,工业中用来探伤。X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。

参考资料

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