什么是x射线-伦琴辐射-定义

x射线，也被称为x光辐射，是指高能电磁辐射(无静止质量，无电荷)。x射线是高能光子波长短，因此频率很高。辐射频率是所有光子的关键参数，因为它决定了光子的能量。光子按能量分类，从低能无线电波和红外辐射，通过可见光，到高能x射线和伽马射线．

大多数x射线的波长在0.01到10纳米之间(3×10¹⁶3×10赫兹¹⁹Hz)，对应于100 eV到100 keV范围内的能量。x射线的波长比紫外线短，通常比伽马射线长。x射线和伽马射线的区别并不是那么简单，近几十年来已经发生了变化。根据目前有效的定义，x射线是由电子发射的在细胞核外，而伽马射线是由原子核发出的．

由于x射线(特别是硬x射线)是物质中的高能光子，它们具有很强的穿透力，因此在生物上是危险的。x射线可以在空气中传播数千英尺，很容易穿过人体。

x射线的发现-威廉·康拉德Röntgen

x射线是1895年11月8日由德国物理学教授威廉·康拉德·伦琴在德国Würtzburg大学。他正在研究在极低压力下充满各种气体的玻璃管内的放电现象。在这些实验中，Röntgen用一些黑纸盖住管子，使房间变暗。然后他发现，当他打开管中电极之间的高压时，一张涂有荧光染料的纸，在离管有一段距离时，会发光。他意识到，他产生了一种以前不为人知的“不可见光”，即射线，它从管子里发出，而且这种射线能够穿过覆盖在管子上的厚纸。Röntgen将辐射称为“X”，表示这是一种未知类型的辐射。

意识到这一发现的重要性后，Röntgen把所有的注意力都集中在这种新辐射的研究上，这种辐射具有穿过黑纸的不同寻常的特性。通过进一步的实验，他还发现这种新射线可以穿过大多数物质，投射出固体物体的影子，比如木块、书籍，甚至他的手。他发现x射线以直线传播，它们既不受电场的影响，也不受磁场的影响。第一张x光照片是他妻子的手在x光底片上的照片。他的发现很快传遍了全世界，威廉·康拉德Röntgen因此获得了第一个诺贝尔物理学奖。

x射线的特征

x射线的主要特征总结如下几点:

• x射线是高能光子(能量约为可见光子的100 - 1000倍)，与可见光光子相同光子形成可见范围的电磁波谱——光。
• x射线通常用它们的最大能量来描述，它是由电极之间的电压决定的。电压范围可由20千伏至300千伏不等。低电压辐射称为“软-高电压辐射称为"硬”。
• 光子(伽马射线和x射线)可以通过光电效应和康普顿效应直接电离原子(尽管它们是电中性的)，但二次(间接)电离要重要得多。
• x射线使物质电离间接电离．
• 尽管已知大量可能的相互作用，但仍有三种与物质的关键相互作用机制。
  • 光电效应
  • 康普顿散射
  • 瑞利散射
• x射线旅行以光速在消耗能量之前，它们可以在空中飞行数百米。
• 由于硬x射线是非常具有穿透力的物质，它必须被密度非常大的物质(如铅或铀)屏蔽。
• x射线和伽马射线的区别并不是那么简单，近几十年来已经发生了变化。根据目前有效的定义，x射线是由核外的电子发射的，而伽马射线是由原子核发出的．
• 对于x射线管产生的x射线，有两种不同类型的x射线光谱:
  • 轫致辐射
  • 特征x射线
• 特征x射线经常陪一些类型的核衰变，比如内转换而且电子俘获．

x射线-生产

自x射线是高能光子,电磁性质在美国，只要有足够能量的带电粒子(电子或离子)撞击材料，就会产生中微子。它类似于光电效应在那里，当光子撞击金属板时，它们会被湮灭，每个光子都交出了它的动能到一个电子．

x射线可以由x光管它是一种真空管，利用高压将热阴极释放的电子加速到高速。阴极必须加热才能发射电子。电子被成千上万伏特的电位差加速，瞄准真空管中的金属靶(通常由钨或其他重金属制成)。电极间的电压越大，电子获得的能量就越高。在撞击目标时，加速的电子突然停止x射线热量产生了。大部分能量在阳极转化为热(阳极必须冷却)。只有1%的电子动能被转换成x射线。x射线通常与电子束的路径垂直产生。

在研究中广泛使用的一种特殊的x射线源是粒子加速器，它产生的辐射称为同步加速器辐射．当超相对论性带电粒子穿过磁场它们被迫沿着弯曲的路径移动。由于它们的运动方向不断变化，它们也在加速，因此发出轫致辐射，在这种情况下，它被称为同步加速器辐射．

x射线也可以由快质子或其他正离子产生。质子诱发x射线发射或粒子诱发x射线发射是一种广泛使用的分析方法。

软x射线和硬x射线

x射线通常用它们的最大能量来描述，它是由电极之间的电压决定的。具有高光子能量(5-10 keV以上)的x射线被称为x射线硬x射线，而能量较低(波长较长)的则称为软x射线．由于其穿透能力，硬x射线被广泛用于视觉不透明物体的内部成像。最常见的应用是在医疗射线照相。由于硬x射线的波长与原子的大小相似，它们也可以用于x射线晶体学测定晶体结构。相比之下，软x射线很容易被空气吸收。600 eV x射线在水中的衰减长度小于1微米。

x射线光谱-特征和连续

对于x射线管产生的x射线，转化为辐射的那部分能量从零变化到电子撞击阳极时的最大能量。产生的x射线光子的最大能量受入射电子能量的限制，电子能量等于电子管上的电压乘以电子电荷，所以100千伏的电子管不能产生能量大于100千伏的x射线。当电子击中目标时，x射线由两种不同的原子过程产生:

• 轫致辐射．轫致辐射的当电子被强光偏转时，它的加速或减速会产生电磁辐射吗电磁场目标高z(质子数)核。轫致辐射这个名字来自德语。直译过来就是“制动辐射”．根据经典理论，当带电粒子加速或减速时，它必须辐射能量。轫致辐射的是轻带电粒子与物质相互作用的可能之一吗高的原子序数)．这些x射线的光谱是连续的。x射线的强度随频率的降低线性增加，在入射电子的能量(x射线管上的电压)处从零开始。改变制造管中目标的材料对这种连续辐射的光谱没有影响。例如，如果我们从钼靶切换到铜靶，x射线光谱的所有特征都会改变，除了截止波长。
• 特征x射线辐射。如果电子有足够的能量，它可以把一个轨道电子从金属原子的内层电子壳中撞出来。由于过程中留下了一个空缺在电子产生的电子能级中，原子的外层电子级联了填充较低的原子层，和一个或多个特征x射线通常发出。因此，尖锐的强度峰值出现在光谱的波长，这是阳极靶材料的一个特征。特征x射线的频率可以从波尔模型中预测出来。

x射线与物质的相互作用

尽管已知大量可能的相互作用，但仍有三种与物质的关键相互作用机制。这些相互作用的强度取决于x射线能量和材料的元素组成，但对化学性质没有太大影响，因为x射线光子能量比化学结合能高得多。以光电吸收为主在低能量的x射线下，而康普顿散射在高能量时占主导地位。

• 光电吸收
• 康普顿散射
• 瑞利散射

x射线的光电吸收

在光电效应中，光子与束缚在原子中的电子相互作用。在这种相互作用中，入射的光子完全消失，一个高能光电子被原子从一个光子中弹出被束缚的贝壳．弹射光电子的动能(E_e)等于入射光子能量(hν)减去结合能光电子原壳层(E_b)．

E_eh =ν- e_b

因此，只有当光子达到或超过光电效应时，光电子才会被释放出来一个阈值能量电子的结合能的功函数的材料。对于能量超过数百keV的非常高的x射线，光电子带走了入射光子的大部分能量——荷林。

在伽马射线能量很小的时候，光电效应占主导地位．对于高原子序数z的材料，这种机理也得到了加强。要推导出在所有伽马射线能量范围内，每个原子对伽马射线的光电吸收概率的解析表达式并不简单。单位质量的光电吸收概率近似与:

τ_(光电)=常数x Z^N/ E^3．5

在哪里Z是原子序数，指数吗n在4到5之间变化。E是入射光子的能量。与较高的原子序数Z的幂的比例是使用高Z材料的主要原因，如铅或贫铀在伽马射线屏蔽。

虽然光电吸收光子的概率降低，但一般情况下，随着光子能量的增加，有剧烈波动在横截面曲线上。这些被称为“absoption边缘”它们对应于原子束缚壳层电子的结合能。对于能量刚好在边缘上方的光子，光子能量刚好足以与束缚壳层的电子进行光电相互作用，假设是k壳层。这种相互作用的概率刚好在这条边缘之上，远远大于能量稍低于这条边缘的光子。对于这条边缘以下的光子，与来自k壳层的电子的相互作用在能量上是不可能的，因此概率突然下降。这些边也发生在来自其他壳层电子的结合能(L, M, N .....)处。

x射线的康普顿散射

的康普顿公式发表在1923年的《物理评论》上。康普顿解释说，x光转变是由颗粒状引起的吗光子的动量．康普顿散射公式是数学关系吗波长的变化以及x射线的散射角度。在康普顿散射频率的光子f与静止的电子相撞。在碰撞中，光子被电子反弹，放弃了它的一些初始能量(由普朗克公式E=hf给出)光子不能降低它的速度．由于动量守恒定律，光子必须降低其动量由:

所以光子动量的减少必须转化为降低频率(波长增加Δλ = λ ' - λ)．波长的偏移随散射角的增大而增大康普顿公式：

,

在哪里λ光子的初始波长是多少λ的是散射后的波长，h普朗克常数是6.626 x 10吗^-34年刘昌明,米_e为电子静止质量(0.511 MeV)c是光速吗Θ为散射角。波长变化最小值(λ的−λ)，因为光子发生在Θ = 0°(cos(Θ)=1)且至少为零时。波长的最大变化(λ的−λ)，因为光子发生在Θ = 180°(cos(Θ)=-1)时。在这种情况下，光子将尽可能多的动量转移给电子。波长的最大变化量可由康普顿公式得到:

量h / m_eC被称为康普顿波长等于2.43×10⁻¹²米．

瑞利散射-汤姆森散射

瑞利散射，又称汤姆逊散射，是康普顿散射的低能极限。粒子的动能和光子频率不因散射而改变。瑞利散射是入射光子与电子相互作用的结果，其结合能明显大于入射光子的结合能。假定入射辐射使电子进入强迫共振振荡，从而使电子重新发射电极的辐射相同的频率但在四面八方．在这种情况下，入射波(光子)的电场加速带电粒子，使其发射出与入射波相同频率的辐射，因此波被散射。瑞利散射显著，高达≈20keV，和汤姆逊散射一样，是弹性的。总散射截面是瑞利和康普顿边界散射截面的组合。汤姆逊散射是等离子体物理中的一个重要现象，最早由物理学家汤姆逊解释。这种相互作用在x射线结晶学领域具有重要意义。

x射线衰减

随着高能光子穿过的物质，它们的能量在减少。这被称为衰减．衰减理论是有效的x射线而且伽马射线也事实证明，高能光子(硬x射线)比低能光子更容易穿过组织(即高能光子不太可能与物质相互作用)。这种影响在很大程度上与光电效应．光电吸收的概率与(Z/E)近似成正比。^3.，其中Z为组织原子的原子序数，E为光子能量。随着E的增大，相互作用的可能性迅速下降。对于更高的能量，康普顿散射成为主导。康普顿散射在不同的能量下几乎是恒定的，尽管在更高的能量下它会缓慢地减少。

参见:x射线衰减

x射线的屏蔽

简而言之,有效x射线的屏蔽在大多数情况下是基于使用具有以下两种材料特性的材料:欧宝体育客户端

• 高密度的材料。
• 高原子序数材料(高Z材料)

然而，低密度材料和低Z材料可以通过增加厚度来补偿，这与密度和原子序数在屏蔽应用中同样重要。

引子被广泛用作引子x射线盾牌。铅屏蔽的主要优点是由于其较高的密度而使其紧凑。铅被广泛用作伽马屏蔽。另一方面贫铀由于其较高的z值，因此更有效。贫铀用于便携式伽马射线源的屏蔽。

在核电站屏蔽的反应堆堆芯可由反应堆压力容器、反应堆内部材料(中子反射器)．此外，重型混凝土通常用于屏蔽两者中子和伽马辐射。

一般来说，x射线的屏蔽比x射线屏蔽要复杂和困难得多α或β辐射屏蔽．为了全面了解x射线是如何失去初始能量、如何被衰减和如何被屏蔽的，我们必须详细了解它的相互作用机制。

参见更多理论:x射线与物质的相互作用

参见计算器:γ活度对剂量率(有/无屏蔽)

参见XCOM -光子截面DB:光子截面数据库

参见:

辐射