2023-02-27
千里马与伯乐
如果把X射线（X光）比做千里马的话，那这匹千里马的发掘，离不开伯乐的贡献。说起X射线的伯乐，就得从一个简短的故事说起：
1895年11月8日的夜晚，德国物理学家伦琴在做阴极射线管放电试验时，为了不使管内的可见光漏出管外，他用黑色硬纸板把放电管严密封好，在接上高压电流进行实验时，他发现1米以外的一块涂有氰化铂酸钡的荧光屏发出微弱的浅绿色闪光，一切断电源闪光就立即消失。
这一发现使他十分惊奇，他重复着实验，把荧光屏一步步移远，即使在2米左右，屏上仍有较强的荧光出现，当他带着这张涂料纸走进隔壁房间，关上门，荧光屏在管子工作时仍继续闪光。
在1895年最后的七个星期之内，伦琴独自在自己的实验室里研究这种新的射线及其特性，为了排除视力的错觉，他利用感光板把他在光屏上观察到的现象记录下来。
1895年12月22日晚上，伦琴为他的夫人拍摄了一张手骨的照片，也就是教材上那张经典的伦琴夫人手骨的照片。
1895年12月28日，伦琴给维尔茨堡物理学学会递交了一份报告，题目为《一种新射线的初步报告》，由于当时对这种新的射线充满了太多的未知，因此就用数学中的未知数符号“X”来命名。从此，X射线就正式出道了……
X射线的别名
为了纪念这位伯乐，有的国家和地区也将X射线称作伦琴射线。
伯乐与诺贝尔奖
X射线被发现后，被应用到了疾病的诊断和治疗中，给医学影像学的发展带来了很大的影响。
因为发现X射线的贡献，1901年，诺贝尔物理学奖颁给了伦琴。这位伯乐，成为了第一位诺贝尔物理学奖获得者。
以上就是X射线与他的伯乐－威廉·康拉德·伦琴之间的故事。
X射线的前世今生
对于X射线的前世，得从一个故事说起：
故事的第一个主人公，叫做灯丝，因为他一般是由钨做成的，因此也称作钨丝。对灯丝来说，和其他物质一样，他也是由一个个原子组成的；那对于原子呢，又由原子核和核外电子组成，电子在原子核外老老实实地待着，电子是很关键的人物，接下来就准备上场了。
有一天，灯丝通电了，可以联想为电灯泡亮了，这时候灯丝里面的电子们就坐不住了，就像着火了一样纷纷跑了出来。
电子们从灯丝跑出来后，进入了高压电场里，就像上了高速路，在高速路上他们的速度越来越快，其实是电场在给他们加速。没过多久，电子们就像坐着火箭一样，速度飞快，心想着：绕二环跑一圈用时13分钟算什么，在下只需13秒……
就像再远的路都有终点，飞驰的电子们来到了属于他们的终点站，这里有一个叫做钨靶的家伙正在等着他们。钨靶顾名思义，是由钨做成的。
就像打靶一样，飞驰的电子们撞向了钨靶，这场碰撞过后，产生了很多的热量，同时，那束神奇的光－X光就问世了。
这个故事里，主要有三个主人公：灯丝、高压电场和钨靶。当然还有最核心的人物：电子，如果没有电子，没有电子轰击金属靶，也就没有X射线什么事情了。
灯丝所在的地方称作阴极，钨靶所在的地方称作阳极，阳极和阴极之间的“高速路”，就是高压电场了，电场的电压一般为KV级（千伏级）。
上面的故事就是X线的前世今生，也就是X射线产生的过程。
用专业术语来说，概括为：阴极灯丝发射的电子，经过高压电场加速后，高速运动的电子轰击阳极的钨靶，产生了X射线，同时产生了热量。
兵分两路
在高速运动的电子轰击金属靶的过程中，又有一些故事发生，讲故事之前，先温习一下物质结构：
原子是组成物质的基本单元，原子呢，又是由原子核和核外电子组成的，原子核里面住着质子和中子（氢原子除外，因为他的原子核里只住着一个质子，没有中子），电子住在原子核外一条条环形轨道上，就像是一座城的二环三环四环……
温习结束，故事开始：
高速运动的电子军团轰击金属靶时，从微观的角度来看：一个个电子就像流星一样，来到了原子的世界里，他们的目标很明确：直奔原子的核心区-原子核。
对于到访的电子军团，原子核一点也不慌张，因为他的周围布满了库仑场，就像是一个防护罩。在库仑场的作用下，神奇的现象发生了：电子的动能转换为了另一种射线的能量，也就是产生了X射线，这种X射线称作连续X射线，也称作韧致辐射。所谓连续X射线，是因为他的能量分布是连续的，也就是在他的队伍里面，有的X光子能量高，有的X光子能量低。也像是一个班级的学生，成绩各个分数段的都有。
既然有连续X射线，就会有非连续X射线，也就有是另一个故事：
跟直奔原子核的电子们不同，还有一部分电子没有去原子核，而是来到了核外电子的地盘，也就是电子遇到了电子。
高速运动的电子撞向了待在轨道上的电子，可想而知，这个电子自然就被撞飞了，也像是从轨道上跑了出来，这时没有产生X射线，重点在后面：
话说原先的电子从轨道上离开了之后，就在原先的轨道上形成了一个空位，虚位以待之下，相邻轨道上的电子就搬到了这个轨道上，就像是从四环搬到了三环，放射物理界有个专业术语：跃迁（这个过程其实就是外层轨道的电子跃迁到了内层轨道上）。
在电子的这场搬家途中，他释放出了能量，也就是产生了X射线，这种X射线，称作特征辐射，也就是非连续X射线。特征辐射的能量，等于相邻两个轨道（能级）之间的差值。
韧致辐射与特征辐射，就组成了我们常说的X射线，所谓的X射线能谱，就是韧致辐射与特征辐射共同组成的，在X射线能谱中，有一个像山峰一样的形状，就是特征辐射。
本质上来说
了解了X射线的产生，接下来一起来探究一下X射线的本质，理解了本质，才会更加深入地掌握。
作为光学家族的一员，X射线从本质上来说，是一种电磁波。电磁波，顾名思义，由纵向的电场和垂直方向（横向）的磁场组成。跟机械波（比如声波）明显不同的是，电磁波在真空中也可以传播，可以说是畅通无阻。
任何一件事物，既有优势也有不足。X射线这种电磁波，他的波长很短，但由于频率与波长成反比，因此他的频率很高；而能量又与频率呈正比，因此X射线的能量很高。
正是因为X射线携带的能量，才有了他的价值。
波粒二象性
作为电磁波家族中一员的X射线，也具有波粒二象性，顾名思义，既有波的性质，也有粒子的性质。之所以要提波粒二象性，是因为在探讨X射线的特性以及他与物质相互作用的时候会用得到。
有时候
在X射线传播时，表现的主要是波的性质（波动性），常用到几个词：波长、频率等；
在X射线与物质发生相互作用的时候，表现的主要是粒子的性质，比如质量、动能等，因此X射线也可以称作X光子。
总之，探讨X射线的本质，是为后面做铺垫。
特点
就像一个人具有特点和脾气秉性，X射线也是如此。X射线的特性，就像是他的脾气秉性。了解X射线的特性，会帮助我们更好地驾驭和使用他。
对于X射线的特性，可以先分为三大类：物理效应、化学效应和生物效应（就像是理综的三科），先重点看一下物理效应。
物理效应
X射线的物理效应中，又有这么几个标签：穿透性、荧光作用、电离作用、热作用，除此之外，还具有光学家族的共性：干涉、衍射、反射、折射等（物理学中，在学习光学部分的时候会遇到这几个家伙）。
穿透性：X射线携带较高的能量，具有一定的穿透能力，他可以穿过很多物体，就像“穿墙术”。能量越高的X射线，穿透力也就越强，就像力度越大，越容易穿过。因为X射线的穿透性，再加上不同组织对他的衰减能力不同，使他在成像中有了用武之地。也可以说，穿透性是X线用于成像的基础。
荧光作用：看不见、摸不着的X射线，却会在荧光物质面前现身，使其发出荧光。由于这种特点，荧光物质和X射线这对搭档就被用到了成像（透视）中，帮助人们发现疾病。
电离作用：携带能量的X射线，就像携带了一定数量的炸弹，能够引起物质的电离过程，从而破坏物质的结构。所谓电离，通俗些说，是让电子脱离了原子的束缚。
正所谓有利也有弊，X射线的电离作用也是如此：利在于，可以帮助人们治疗肿瘤，消灭肿瘤组织，也就是用于放射治疗；弊在于，X射线也有可能破坏正常组织，从而引起肿瘤的发生。因此X射线就像是把双刃剑，要加以合理地利用，同时做好防护也很重要（与此有关的学科称作放射防护学）。
热作用：X射线照射到物质上之后，携带的绝大部分能量转换为了热能，使物体温度升高，这就是热作用。扩展一下：吸收剂量的量热法就是依据这种作用，后面会详细介绍。
化学效应
化学效应中有两个主要的标签：感光作用和着色作用。
感光作用：X线与可见光一样，当它照射到胶片的溴化银上时，由于电离作用，使溴化银药膜发生化学变化，出现银粒沉淀，这就是X线的感光作用。
着色作用：某些物质如铂氧化钡、铅玻璃、水晶等，经X线长期照射后，其结晶脱水而改变颜色，称作着色作用。
生物效应
X射线的生物作用是他应用于放射治疗的基础，与此有关的一个学科叫做放射生物学，重点研究X射线照射到生物体之后，引起电离、激发过程，最终产生了生物效应。
电离/激发
X射线可以引起物质的电离（激发）过程，这一篇就详细地介绍电离以及他的兄弟-激发。
在介绍电离和激发之前，还是先复习一下原子世界的构成：原子由原子核和核外电子组成，电子分布在原子核外的一条条环形轨道上，就像是住在二环、三环、四环上，每条轨道的能量不同（专业术语称作能级）。
话说X射线照射到物质上之后，他来到了原子的世界里，他首先遇到了住在原子核外面的电子，这场相遇，让轨道电子获得了很多的能量，这种能量让这个小小的电子摆脱了原子的束缚，就像挣断了枷锁，从轨道上跑了出来，最终获得了自由，这就是电离。
电离，电离，让电子脱离原子的束缚。
在另一个原子的世界里，同样是X射线来到了这里，同样是X射线遇到了原子的核外电子，同样是电子获得了能量，不过，这次电子获得的能量不是足够多，没有彻底摆脱原子的束缚，没有跑出来，而是搬到了更高能量的轨道上，这个过程称作激发。
激发，激发，就像受到了激励。
电离和激发，本质上是程度的不同。打个比方：就像一个人获得了一笔钱，如果他的这笔钱足够多，那他就从原先的小区搬了出去（这好比电离）；如果他的钱不是很多，没有搬出小区，只是从一楼搬到了三楼，也改善了一下生活（这好比激发）。
电离和激发，是放射物理中很重要的两个人物，放射物理有关的教材上也会看到，之所以介绍这哥俩，是为接下来的X射线与物质相互作用做铺垫。
光电效应
电离，让电子脱离原子轨道，获得了自由；激发，将电子激励到更高能级（没有让电子彻底获得自由）。
X射线照射到物质上之后，从微观角度来看：X光子来到了原子的世界里，接待他的，是生活在核外轨道上的电子，这个电子居住在K轨道上，离原子世界的CBD－原子核最近。故事就围绕着这个电子和X光子展开。
电子同志携带负电荷，给X光子一种闷闷不乐的感觉，X光子觉得他比较压抑。与电子的聊天中，X光子得知：一种无形的力量把电子困在了轨道上，就像是无形的枷锁把他困在了这里。
过了没多久，携带能量的X光子为了感激电子的盛情款待，打算做一件事情：他把自己携带的能量都给了这个电子，就像武侠小说中的，师傅把内功传给了徒弟。
电子获得了能量后，就像满血复活，挣脱了原子世界的束缚，就像拽断了解锁，从原子世界跑了出来。正当他要感谢那个X光子时，却怎么都找不着，后来才知道：X光子把能量给了他之后，自己就消失了，为了纪念那个光子，电子就给自己起名为：光电子。
上面的故事，其实就是放射物理中的光电效应，概括来说，是光子把能量给了轨道电子，轨道电子脱离原子的束缚，变为了自由电子。
补充：光电效应由爱因斯坦提出，证明了光具有粒子的性质。
康普顿效应
过了没多久，又有一个X光子来拜访原子，这个X光子跟上一个故事中的X光子不同之处在于：这个X光子更高大威猛一些，因为他携带的能量更多：携带的是MV（兆伏）级的能量（也就是MV级的X射线），就像带来的礼物更多。
听说了X光子到访的消息之后，同样是K轨道上的电子热情地接待了他，然后发生了类似的故事情节：光子同志把他携带的能量给了电子，电子获得能量后脱离了原子的束缚，获得了自由。
电子正要感谢X光子时，也是没有找到他，不过这次他遇到了一个名叫散射线的家伙，这也是跟上一个故事不同的地方。在这个过程中，X光子的人生轨迹也发生了变化：他没有完全消失，而是改变了方向，变为了散射线。之所以会有散射线的产生，是因为X光子携带的能量更多（把能量给了电子之后还剩余了一部分）。获得能量的电子也有一个名字，称作反冲电子。
这个故事，其实就是康普顿效应，因为这个过程里产生了散射线，因此也称作康普顿散射。
概括一下康普顿效应：X光子和原子的轨道电子发生相互作用，光子损失了一部分能量，并改变运动方向，电子获得能量后脱离原子。损失能量的X光子称作散射光子，获得能量的电子称作反冲电子。
主导地位
KV级的X射线与物质相互作用时，光电效应占主导地位；MV级的X射线与物质相互作用时，康普顿效应（康普顿散射）占主导地位。
电子对效应
又过了一段时间，又有一个X光子要来拜访原子世界，这个X光子身材更加魁梧，也就是说，他携带的能量更多。
听说又有X光子来拜访，原子核外的电子们非常高兴，因为有了前两次的经验，这次又有电子可以获得自由了，因此都等着自由日的到来。轨道电子们等啊等，从黎明等到傍晚，从周一等到周五，就是没有等到传说中X光子的到来。
心灰意冷的电子们后来才知道，X光子这次没有进入原子的轨道区，而是直奔原子世界的核心区（CBD）－原子核。
之前说过，原子核周围有神秘的库仑场，X光子与原子核的库仑场相遇之后，发生了一件神奇的事情：一个正电子和一个电子就产生了，也就是产生了一对电子。
上面这个故事，就是电子对效应。
概括一下：X光子与原子核的库仑场相互作用，产生了一对正负电子，这个过程称作电子对效应。
补充：产生电子对效应有个条件：X光子携带的能量需大于1.02MeV（兆电子伏），就像带的礼物足够多才可以有情节的发生。
三剑客
电子对效应与康普顿效应（康普顿散射）、光电效应这三剑客，是X光子与物质相互作用的主要过程，除此之外，还有相干散射（瑞利散射）、光核反应等
