基本解释

　　X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为(20～0.06)×10-8厘米之间。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，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。 

详细解释

　　X射线的特征是波长非常短，频率很高。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而 产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流。1906年，实验证明X射线是波长很短的一种电磁波，因此能产生干涉、衍射现象。X射线用来帮助人们进行医学诊断和治疗;用于工业上的非破坏性材料的检查;在基础科学和应用科学领域内，被广泛用于晶体结构分析，及通过X射线光谱和X射线吸收进行化学分析和原子结构的研究。

　　伦琴发现X射线

　　在对阴极射线情有独钟的人群中，德国的物理学家威尔海姆·伦琴很快取得了非同凡响的收获，并把自己的名字永远刻在了天地之间。1845年3月27日，在德国鲁尔地区一个人杰地灵的小镇——莱尼斯，随着“哇”的一声啼哭，伦琴来到了人世间。伦琴是个聪明而又勤奋的孩子，在读书期间，他就以优异的成绩而深受好评。从1888年起，他从国外学成回国后，担任了巴伐利亚州维尔茨堡大学物理研究所所长。正是在这个研究所期间，他独具慧眼，发现了具有极强穿透力的X射线，从而声名远播。自从担任物理所所长之后，他就一直孜孜不倦地研究着阴极射线，无论遇到多大的挫折，他始终都没有放弃。在研究过程中，伦琴发现，由于克鲁克斯管的高真空度，低压放电时没有荧光产生。

　　1894年，一位德国物理学家改进了克鲁克斯管，他把阴极射线碰到管壁放出荧光的地方，用一块薄薄的铝片替换了原来的玻璃，结果，奇迹发生了，从阴极射线管中发射出来的射线，穿透薄铝片，射到外边来了。这位物理学家就是勒那德。勒那德还在阴极射线管的玻璃壁上打开一个薄铝窗口，出乎意料地把阴极射线引出了管外。他接着又用一种荧光物质铂氰化钡涂在玻璃板上，从而创造出了能够探测阴极射线的荧光板。当阴极射线碰到荧光板时，荧光板就会在茫茫黑夜中发出令人头晕目眩的光亮。伦琴不止一次地重复了勒那德的实验。1895年11月8日晚，劳累了一天的伦琴刚刚躺上了床，正想美美地做个梦。突然，好像有一股神奇的清风吹入了伦琴的灵魂深处，他赶紧一骨碌跳下了床，又好似有一个无形的神灵，牵引着他，他走到了他所熟悉的仪器旁，再次重复了勒那德的实验。命中注定，一项石破天惊的科学奇迹产生了。伦琴欣喜地发现，这种阴极射线能够使一米以外的荧光屏上出现闪光。为了防止荧光板受偶尔出现的管内闪光的影响，伦琴用一张包相纸的黑纸，把整个管子里三层外三层地裹得严严实实。在子夜时分，伦琴打开阴极射线管的电源，当他把荧光板靠近阴极射线管上的铝片洞口的时候，顿时荧光板亮了，而距离稍微远一点，荧光板又不亮了。

　　伦琴还发现，前一段时间紧密封存的一张底片，尽管丝毫都没有暴露在光线下，但是因为他当时随手就把它放在放电管的附近，现在打开一看，底片已经变得灰黑，快要坏了。这说明管内发出某种能穿透底片封套的光线。伦琴发现，一个涂有磷光质的屏幕放在这种电管附近时，即发亮光;金属的厚片放在管与磷光屏中间时，即投射阴影;而比较轻的物质，如铝片或木片，平时不透光，在这种射线内投射的阴影却几乎看不见。而它们所吸收的射线的数量大致和吸收体的厚度与密度成正比。同时，真空管内的气体越少，线的穿透性就越高。为了获得更加完美的实验结果，伦琴又把一个完整的梨形阴极射线管包裹好，然后打开开关，然后他便看到了非常奇特的现象：尽管阴极射线管一点亮光也不露，但是放在远处的荧光板竟然调皮地亮了起来。

　　伦琴真是欣喜若狂，他顺手拿起闪闪发亮的荧光板，想吻它一下，突然，一个完整手骨的影子鬼使神差般地出现在荧光板上。

　　伦琴顿时吓得不知所措，他不知这到底是在做梦，还是在做实验，他狠狠地在手上咬了一口，手被咬得生疼，他意识到自己不是在做梦，这一切都是真的。伦琴赶紧开亮电灯，认真检查了一遍有关的仪器，又做起了这个实验。这时，天光已经微微发亮，在重重云层下，一轮美丽的红日，即将喷薄而出，给整个人类带来她无穷无尽的光和热。

　　伦琴没有时间去想别的东西。他看到，那道奇妙的光线又被荧光板捕捉到了。他又有意识地把手放到阴极射线管和荧光板之间，一副完整的手骨影子又出现在荧光板上。伦琴终于明白，这种射线原来具有极强的穿透力和相当的硬度，可以使肌肉内的骨骼在磷光片或照片上投下阴影。这时，伦琴的夫人走了过来，给伦琴披上了一件大衣，然后轻声地劝伦琴该去休息了。伦琴却一把抓住了夫人的手，放在荧光板和阴极射线管之间，荧光板上又出现了夫人那完整的手骨影子。这是事实，千真万确的事实。伦琴一下子抱住了夫人，在实验室里足足转了五个圈子，他太激动了，激动得不知如何是好，两行热泪止不住地流了下来……

　　次日，伦琴便开始思考这一新发现的事实，他想，这很显然不是阴极射线，阴极射线无法穿透玻璃，这种射线却具有巨大的能量，它能穿透玻璃，遮光的黑纸和人的手掌。为了验证它还能穿透些什么样的物质，伦琴几乎把手边能够拿到的东西，如木片、橡胶皮、金属片等，都拿来做了实验。他把这些东西一一放在射线管与荧光板之间，这种神奇的具有相当硬度的射线把它们全穿透了。伦琴又拿了一块铅板来，这种光线才停止了它前进的脚步。然而，限于当时的条件，伦琴对这种射线所产生的原因及性质却知之甚少。但他在潜意识中意识到，这种射线对于人类来说，虽然是个未和的领域，但是有可能具有非常大的利用价值。为了鼓舞和鞭策更多的人们去继续关注它，研究它，了解它并利用它，伦琴就把他所发现的这种具有无穷魅力的射线，叫做“X射线”。

　　1895年12月28日，伦琴把发现X射线的论文，和用X射线照出的手骨照片，一同送交维尔茨堡物理医学学会出版。这件事，成了轰动一时的科学新闻。伦琴的论文和照片，在三个月内被连续翻印5次。大家共同分享着伦琴发现X射线的巨大欢乐。X射线的发现，给医学和物质结构的研究带来了新的希望，此后，产生了一系列的新发现和与之相联系的新技术。就在伦琴宣布发现X射线的第四天，一位美国医生就用X射线照相发现了伤员脚上的子弹。从此，对于医学来说，X射线就成了神奇的医疗手段。

　　发展沿革　　X射线是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。

　　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1909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，当时老布拉格(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。年轻的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射线来获取关于晶体结构的信息。

　　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。

　　射线特征

　　频率值高

　　X射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为(20～0.06)×10-8厘米之间。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。

　　辐射同步

　　X射线谱由连续谱和标识谱两部分组成 ，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的 轫致辐射，其短波极限λ 0 由加速电压V决定：λ 0 = hc /( ev ) h为普朗克常数， e 为电子电量， c 为真空中的光速。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构。同步辐射源可产生高强度的连续谱X射线，现已成为重要的X射线源。

　　穿透力强

　　X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，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X射线管的结构原理。

　　射线分类

　　辐射分类

　　如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一定限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射，连续光谱的性质和靶材料无关。

　　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。

　　波长分类

　　X射线波长略大于0.5 nm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。

　　物理效应

　　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。(左图为X射线行李检查仪)

　　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。

　　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。

　　其它作用

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

　　化学效应

　　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。

　　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。

　　生物效应

　　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(右图为治疗肿瘤的X刀)。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。

　　产生方法

　　原理解析

　　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。

　　实验生成

　　实验室中X射线由X射线管产生，X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极(就称靶极)用高熔点金属制成(一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料)。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X射线从靶极发出。电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。

　　此外，高强度的X射线亦可由同步加速器或自由电子雷射产生。同步辐射光源，具有高强度、连续波长、光束准直、极小的光束截面积并具有时间脉波性与偏振性，因而成为科学研究最佳之X光光源。

　　实际应用

　　医学领域

　　伦琴发现X射线后仅仅几个月时间内，它就被应用于 医学影像。1896年2月，苏格兰医生约翰·麦金泰在格拉斯哥皇家医院设立了世界上第一个放射科。

　　放射医学是医学的一个专门领域，它使用放射线照相术和其他技术产生诊断图像，这可能是X射线技术应用最广泛的地方。X射线的用途主要是探测骨骼的病变，但对于探测软组织的病变也相当有用。常见的例子有胸腔X射线，用来诊断肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺气肿;而腹腔X射线则用来检测肠道梗塞，自由气体(free air，由于内脏穿孔)及自由液体(free fluid)。某些情况下，使用X射线诊断还存在争议，例如结石(对X射线几乎没有阻挡效应)或肾结石(一般可见，但并不总是可见)。

　　借助计算机，人们可以把不同角度的X射线影像合成成三维图像，在医学上常用的电脑断层扫描(CT扫描)就是基于这一原理。

　　工业领域

　　X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。

　　研究领域

　　晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，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。

　　探测器

　　X射线的探测可基于多种方法。最普通的一种方法叫做照相底板法，这种方法在医院里经常使用。将一片照相底片放置于人体后，X射线穿过人体内软组织(皮肤及器官)后会照射到底片，令这些部位于底片经显影后保留黑色;X射线无法穿过人体内的硬组织，如骨或其他被注射含钡或碘的物质，底片于显影后会显示成白色。光激影像板(en:image plate)因子位化容易，在少部分医院已以之取代传统底片。另一方法是利用X光照在特定材质上所产生的荧光，例如碘化钠(NaI)。科学研究上，除了使用X光CCD，也利用X光游离气体的特性，使用气体游离腔做为X光强度之侦测。这些方法只能显示出X射线的光子密度，但无法显示出X射线的光子能量。X光光子的能量通常以晶体使X光衍射再依布拉格定律(Bragg's law)决定。目前普遍认为人眼是看不见X光的，而且几乎所有的X光的使用者都认为这是事实。然而严格的说，这实际上是不正确的。在特殊的情况下，肉眼实际上是可以看见X光的。