X射線
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X射線（英語：X-ray），又稱X光、愛克斯射線、愛克斯光，也稱作倫琴射線或倫琴光（Röntgen radiation），清朝時曾稱照骨術[1]，是一種波長範圍在0.01納米到10納米之間，對應頻率範圍3×1016 Hz至3×1019 Hz、能量範圍100 eV至100 keV的電磁輻射形式。X射線最初用於醫學成像診斷和X射線晶體學。X射線也是游離輻射等這一類對人體有危害的射線。
歷史
[編輯]早期X射線重要的研究者有伊凡·普魯伊教授、威廉·克魯克斯爵士、約翰·威廉·希托夫、歐根·戈爾德斯坦、海因里希·赫茲、菲利普·萊納德、亥姆霍茲、尼古拉·特斯拉、愛迪生、查爾斯·巴克拉、馬克思·馮·勞厄、瑪麗·居禮、皮耶·居禮和威廉·倫琴。
1869年物理學家約翰·威廉·希托夫觀察到真空管中的陰極發出的射線。當這些射線遇到玻璃管壁會產生熒光。1876年這種射線被歐根·戈爾德斯坦命名為「陰極射線」。隨後，英國物理學家克魯克斯研究稀有氣體裏的能量釋放，並且製造了克魯克斯管。這是一種玻璃真空管，內有可以產生高電壓的電極。他還發現，當將未曝光的相片底片靠近這種管時，一些部分被感光了，但是他沒有繼續研究這一現象。1887年4月，尼古拉·特斯拉開始使用自己設計的高電壓真空管與克魯克斯管研究X射線。他發明了單電極X射線管，在其中電子穿過物質，發生了現在叫做軔致輻射的效應，生成高能X射線。1892年特斯拉完成了這些實驗，但是他並沒有使用X射線這個名字，而只是籠統地稱為放射能。他繼續進行實驗，並提醒科學界注意陰極射線對生物體的危害性，但他沒有公開自己的實驗成果。1892年赫茲進行實驗，提出陰極射線可以穿透非常薄的金屬箔。赫茲的學生倫納德進一步研究這一效應，對很多金屬進行了實驗。亥姆霍茲則對光的電磁本性進行了數學推導。
1895年11月8日德國科學家倫琴開始進行陰極射線的研究。1895年12月28日他完成了初步的實驗報告「一種新的射線」。他把這項成果發佈在維爾茨堡的Physical-Medical Society雜誌上。為了表明這是一種新的射線，倫琴採用表示未知數的X來命名。很多科學家主張命名為倫琴射線，倫琴自己堅決反對，但是這一名稱直至今日仍然被廣泛使用，尤其在德語國家。1901年倫琴獲得第一屆諾貝爾物理學獎。
1895年愛迪生研究了材料在X射線照射下發出熒光的能力，發現鎢酸鈣最為明顯。1896年3月愛迪生發明了熒光觀察管，後來被用於醫用X射線的檢驗。然而1903年愛迪生終止了自己對X射線的研究，因為他公司的一名玻璃工人喜歡將X射線管放在手上檢驗，最後得了癌症，儘管進行了截肢手術仍然沒能挽回生命。巴克拉發現X射線能夠被氣體散射，並且每一種元素有其特徵X譜線。他因此獲得了1917年諾貝爾物理學獎。
在20世紀80年代，X射線激光器被設置為朗奴·列根總統的戰略主動防禦計劃的一部分。然而對該裝置（一種類似激光炮，或者死亡射線的裝置，由熱核反應提供能量）最初的、同時也是僅有的試驗並沒有給出結論性的結果。同時，由於政治和技術的原因，整體的計劃（包括X射線激光器）被擱置了（然而該計劃後來又被重新啟動——使用了不同的技術，並作為布什總統國家導彈防禦計劃的一部分）。
在20世紀90年代，哈佛大學建立了錢德拉X射線天文台，用來觀測宇宙中強烈的天文現象中產生的X射線。與從可見光觀測到的相對穩定的宇宙不同，從X射線觀測到的宇宙是不穩定的。它向人們展示了恆星如何被黑洞絞碎，星系間的碰撞，超新星和中子星。
X射線的產生
[編輯]硬X射線、軟X射線、伽馬射線
[編輯]波長短於0.2-0.1nm的叫做硬X射線，波長略大者被稱作軟X射線[2]。硬X射線與伽馬射線中波長較長的部分有重疊範圍，二者的區別在於輻射源，而不是波長：X射線光子產生於高能電子加速，伽馬射線則來源於原子核衰變。
產生X射線的方法
[編輯]產生X射線的最簡單方法是用加速後的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成X射線光譜的連續部分，稱之為制動輻射。通過加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內層電子撞出。於是內層形成空穴，外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出波長在0.1納米左右的光子。由於外層電子躍遷放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長也集中在某些部分，形成了X射線譜中的特徵線，此稱為特性輻射。
此外，高強度的X射線亦可由同步加速器或自由電子雷射產生。同步輻射光源，具有高強度、連續波長、光束準直、極小的光束截面積並具有時間脈波性與偏振性，因而成為科學研究最佳之X射線光源。
探測器
[編輯]X射線的探測可基於多種方法。最普通的一種方法叫做照相底板法，這種方法在醫院里經常使用。將一片照相底片放置於人體後方，X射線穿過人體內軟組織（皮膚及器官）後會照射到底片，令這些部位於底片經顯影後保留黑色；X射線無法穿過人體內的硬組織，如骨或其他被注射含鋇或碘的物質，底片於顯影後會顯示成白色。光激影像板（image plate）因容易數碼化，在少部分醫院已取代傳統底片。另一方法是利用X射線照射在特定材質上以產生螢光，例如碘化鈉（NaI）。科學研究上，除了使用X射線CCD，也利用X射線游離氣體的特性，使用氣體游離腔做為X射線強度之偵測。這些方法只能顯示出X射線的光子密度，但無法顯示出X射線的光子能量。X射線光子的能量通常以晶體使X射線繞射再依布拉格定律計算出。
X射線繞射
[編輯]在晶體學研究上，勞厄發現了X射線通過晶體之後產生的繞射現象，即X射線繞射。布拉格則使用布拉格定律對繞射關係進行了定量的描述。
醫學用途
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倫琴發現X射線後僅僅幾個月時間內，它就被應用於醫學影像。1896年2月，蘇格蘭醫生約翰·麥金泰爾在格拉斯哥皇家醫院設立了世界上第一個放射科。
放射醫學是醫學的一個專門領域，它使用放射線照相術和其他技術產生診斷圖像。的確，這可能是X射線技術應用最廣泛的地方。X射線的用途主要是探測骨骼的病變，但對於探測軟組織的病變也相當有用。常見的例子有胸腔X射線，用來診斷肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺氣腫；而腹腔X射線則用來檢測腸道梗塞，自由氣體（free air，由於內臟穿孔）及自由液體（free fluid）。某些情況下，使用X射線診斷還存在爭議，例如結石（對X射線幾乎沒有阻擋效應）或腎結石（一般可見，但並不總是可見）。
藉助計算機，人們可以把不同角度的X射線影像合成成三維圖像，在醫學上常用的電腦斷層掃描（CT掃描）就是基於這一原理。
X射線穿透能力與其頻率有關，利用其容易被高原子序數材料吸收的特點，防護上一般可用2-3mm左右的鉛板加以屏蔽。
美國艾伯特.C.蓋瑟曾利用X射線製造出美容除毛機並建立崔可公司[3]，但因為輻射使他罹患癌症，最後為避免癌症擴散，他切除了右手，而X射線的美容除毛機也導致數百萬名婦女出現皺紋、色斑、感染、潰瘍，甚至皮膚癌等徵狀[4]。
參考文獻
[編輯]- ^ 鄧永飛. 微歷史：清朝其實很有趣. 海鴿文化出版圖書有限公司. 2018: 297. ISBN 9789863921158.
- ^ Attwood, David. Soft X-rays and extreme ultraviolet radiation. Cambridge University. 1999: 2 [2012-11-04]. ISBN 978-0-521-65214-8. （原始內容存檔於2012-11-11）.
- ^ Herzig, Rebecca "The Matter of Race in Histories of American Technology" in Technology and the African-American Experience
- ^ 80年前的X射线致癌事件. [2014-12-05]. （原始內容存檔於2014-12-10）.
