什么是X射线？

X射线，大家生活中偶尔会接触到，比如日常体检拍摄胸片，感冒发烧后肺部CT观察，这是X射线在医学上的应用。

X射线在科技上，尤其是在材料分析领域也有各种各样的应用场景。

什么是X-射线？

在讲解X-射线之前，不得不提到一个人——伦琴 (1845 ~ 1923)，就是下面这个帅哥。

他是德国物理学家，在1895 年发现 X射线，1901 年获首届诺贝尔物理学奖。

 

伦琴大哥就是在下面这个实验室里发现并解读了这种射线，看上去很简陋，他的实验却震惊了整个科技界，现在他的实验都无时无刻地影响着我们的生活。

故事是这样发生的：

1895年11月8日，伦琴在实验室里从事阴极射线的实验，一个偶然事件引起了他的注意。

当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严。他突然发现在不超过一米远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。他移远荧光屏继续试验，荧光屏闪光仍随放电过程的节拍断续出现。他取来书本、木板、铝片等放在放电管和荧光屏之间，发现不同的物品效果很不一样：有的挡不住；有的起到一定的阻挡作用。

屏幕上闪光的射线就是人们第一次观察到X射线。

经过伦琴大哥对实验装置的优化改良，1895年12月22，伦琴请夫人来实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手 X 射线照片，他夫人手指上戴着他们结婚的戒指。

(李鸿章是拍X光片检查枪伤的第一个中国人)。

1895 年底，他以“论一种新射线”为题发表论文。论文中, 他把这一新射线称为 X 射线，因为无法确定其本质，所以代号为”X”。

后来，人们对X射线有了更深入的了解，明白了它是一种波长介于紫外线和伽马射线之间的具有较短波长的电磁波。

我们来看一张波长的分布图：

中间写着Visible单词部分是可见光部分。

这部分的波长范围大概分布在400-700nm之间，也就是生活中我们能看到的所有物体，发射或反射出的波长在这个范围内。如果物体发射或反射出的波长不在可见光范围内，人眼没办法看见。

自然界中的射线就存在波长在很大范围的分布情况，一直从波长短的伽马射线、X射线、紫外线到电台信号传输的长波...

有太多太多的电磁波超出了人眼识别的范围。

按照波长来定义，X射线波长范围为10E–12——10E–8m。用于材料分析上的XRD的波长在10E–10m附近。

将X射线波长和可见光的波长（4*10E–7～7*10E–7m）相比，X射线比可见光波长要短得多，波长越短射线穿透能量越强。

在波的传输过程中，还有一个特点，叫波粒二象性。

这个词我们常听说，它是什么意思呢？

从波动性的角度看，X射线是一个随时间变化的正弦式振荡的电场，其垂直方向是一个类似变化的磁场。

也就是电磁波在传播过程中，既有电场特性，也有磁场特性，传播方向呈现90°夹角。下图：

传播满足方程：E= Asin(wt+ j)；A为X光波的振幅, w是X光的频率, j为相位（特殊符号不好显示）。

刚提到的电磁波的波动性，同时电磁波也是粒子流，可以理解成一个个小球在空中发射，来张图。

 

人们要利用X射线，就必须能制造产生X射线的装置，早期的X射线管是这样，有点像形状特殊的灯泡。

随着技术的成熟，人们知道了X射线辐射对人体的伤害，对设备进行了优化，后来X射线设备是这样：

设备在构造上发生了很大的变化，产生X射线的原理变动不大。

X射线产生机理：

把用一定材料(Cu等)制作的阳极（称为靶）和阴极（钨丝）密封在一个玻璃-金属管壳内。

当钨丝被3-4A的电流加热后，发出热电子。

在阳极和阴极间加直流高压V，阴极产生的热电子将在电场作用下奔向阳极，并撞击金属靶。

电子的突然减速或停止运动,使大部分（99％）能量转变成热能,小部分（1％）转变为X射线。

为避免靶材熔解，加循环冷却水，X射线在与靶面约成6°角处的强度最大，按此角度在管上开一窗口，让X射线透过。

窗口材料选用对X射线吸收少的Be。

整个设备结构示意图如下：

上面那段文字感觉比较绕口，可以简单理解成：

1.产生自由电子；

2.使电子作定向的高速运动;

3.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。

当X-射线管做好后，人们发现了一个奇怪的现象，设备发出的X射线图谱（波长）有两类：

（1）具有连续波长的X射线，称为连续谱；

（2）波长确定的X射线，称为特征谱。

下面就是人们收集到的Mo靶的图谱：当管压=15kV，发出连续谱,当管压= 25kV，则出现特征谱。

什么是连续X射线谱？

连续谱是由某一最短波长（l0，称短波限）开始，强度（I）随波长连续变化的X射线谱。

连续谱产生的机理：

当高速运动的电子击靶后，电子被减速。电子所减少的能量（DE）转为所发射X射线光子能量（hn），即hn=DE。由于击靶的电子数目极多，击靶时穿透的深浅不同、损失的动能不等，因此，由电子动能转换为X射线光子的能量有多有少，从而形成一系列不同频率、不同波长的X射线，构成了连续谱。

电子初始动能为E0，击靶后电子的动能变为En ，则E0 - En = hn为所发射X射线光子的能量。

上面描述的是X射线连续谱的形成原理，在材料分析中，我们更常用的是X射线特征谱。

 

什么是特征X射线谱？

特征谱在某些特定波长位置出现的叠加在连续谱上的高而狭仄的谱线。

在了解X射线特征谱之前，我们回顾一下高中化学知识：

在高中化学我们学习过，原子由原子核及绕核运动的电子组成。电子分布在不同能级的壳层上，离核最近的K层能级最低，其次L、M、N等能级逐渐增高。

看一张图直观了解一下，图片中间红色的圆是原子核，周围分布的是围绕原子核的电子轨道，轨道按照不同的区域分为K、L、M、N…

特征谱产生的机理：

特征谱是管电压增加到某一临界值(激发电压)，使撞击靶材的电子能量（eV)足够大，可使靶原子内层产生空位,较外层电子向内层跃迁,产生波长确定的X射线(特征X射线)。

所以特征X射线光子能量＝跃迁前后能级差。

结合下图来理解一下：若K层产生空位，L层电子向K层跃迁，则辐射的X射线光子能量：hn = EL – EK。

说完特征谱的形成原理，顺带提一下特征X射线的命名规则，在有些文献中，我们看到X射线有不同的字母，它的原理是这样的：

若K层产生空位，L层或M层或更外层电子向K层跃迁，产生的X射线统称为K系特征辐射，分别按顺序记为Ka，Kb…射线。

 

距K层越远的能级，电子向K层跃迁的几率越小，辐射光子数越少，所以常见Ka，Kb辐射，其它能级的辐射光子比例太低，基本可以忽略。

若M或N层电子→L层（空位）跃迁，谱线记为La，Lb…射线，称为L系特征辐射等。

这一节讲解了一些X射线的基础知识，后面的章节会介绍一些X射线的具体应用。