基本特征
波性质
x射线是电磁辐射的一种形式;他们的基本物理性质相同的电磁spectrum-visible更熟悉组件光,红外辐射,紫外线辐射。与其他形式的电磁辐射,x射线可以被描述为耦合波电和磁场在旅行光的速度(约300000千米,或186000英里/秒)。他们的特征波长和频率可以显示和测量干扰影响结果的重叠两个或两个以上的电波在空间。x射线也表现出粒子性;他们可以被描述为一个流动光子携带离散量的能源和动力。这种双重自然是所有形式的的属性辐射和物质和全面的理论描述量子力学。
尽管它立即被怀疑,伦琴发现后,x射线是电磁辐射的一种形式,这被证明是非常困难的建立。x射线的波长非常短,通常比可见光的波长短1000倍。因为这个,因为生产和检测的实际困难的新形式的辐射,x射线的本质只是逐渐瓦解在20世纪的前几十年。
在1906年,英国物理学家查尔斯·格洛弗Barkla首先证明了波自然的x射线显示他们可以“极化”散射从固体。极化是指在横波振动的方向;所有的电磁波是电场和磁场的横向振动。x射线的波长非常短,暗示在早期衍射研究的射线穿过狭窄的缝隙,坚决成立于1912年的德国物理学家的开创性工作马克斯·冯·劳厄和他的学生沃尔特·弗里德里希·保罗Knipping。劳厄认为原子的有序安排晶体可以作为自然的三维衍射光栅。典型的晶体中原子间距约1埃(1×10−10米),理想的电磁辐射的产生衍射的影响类似的波长。弗里德里希和Knipping验证劳厄通过拍摄衍射模式的预测产生的x射线通过的通道水晶硫化锌。这些实验表明,x射线波长约为1埃和证实晶体的原子排列规律的结构。
在第二年,英国物理学家威廉·劳伦斯布喇格设计了一个特别简单的模型散射x射线平行层的原子晶体。的布喇格定律显示了x射线的角度是最有效地从相关晶体x射线衍射波长和原子层之间的距离。布拉格的物理学家的父亲,威廉•亨利•布拉格根据他的设计第一个x射线谱仪在他儿子的分析。他们使用他们的x射线光谱仪开创性的研究x射线的波长分配和晶体结构的许多常见solids-an成就他们分享了诺贝尔奖1915年物理学奖。
粒子性质
在1920年代早期,x射线散射的实验研究,从固体中发挥了关键作用,建立电磁辐射的粒子性质。1905年德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦提出了电磁辐射颗粒,组成的吗广达电脑(后来被称为光子)每一个能量hf,在那里h是普朗克常数(约6.6×10−34焦耳∙第二)和f是频率的辐射。爱因斯坦的假设在后续的研究是强烈支持吗光电效应丹麦物理学家的成功尼尔斯·玻尔氢的模型原子和它的发射和特征吸收光谱(看到波尔原子模型)。进一步验证是在1922年当美国物理学家阿瑟·康普顿成功治疗的散射x射线从固体中的原子碰撞作为一组x射线光子和松散外层电子的原子。
采用动量和能量之间的关系的经典电磁波光子康普顿使用能量守恒和动量守恒参数推导出散射x射线的波长位移的表达式作为散射角的函数。在所谓的康普顿效应,一个光子碰撞转移一些能量和动量为电子,这退缩。散射光子的能量和动量因此必须小于入射光子,导致散射x射线略低的频率和波长。康普顿仔细测量这个小的效果,再加上他成功的理论治疗(独立派生由荷兰的科学家彼得德拜),为光子的存在提供了令人信服的证据。近似的x射线的波长范围的部分电磁波谱,10−8到10−12米,对应于一系列的光子能量从约100 eV (电子伏特1)兆电子伏(百万电子伏特)。
应用程序
的定义特征X-rays-their穿透光的能力不透明的材料,其波长的原子尺寸,个人的高能x射线photons-lead广泛的工业、医学和科学应用。专门的x射线源、探测器和分析技术已经开发解决一系列问题的最简单的分子相互作用的研究人类大脑的结构。
身体的x射线图像是一个不可或缺的现代医学的诊断工具。医学成像允许不发现龋齿,骨骨折、异物和患病情况等癌症。标准的x射线图像容易区分骨与软组织之间;额外的对比不同区域的柔软组织由注射提供的对比液体或气体介质获得相对不透明的x射线(看到诊断成像)。在1970年代一个新的强大的x射线成像技术,计算机断层扫描(CT),开发了。现在广泛使用,CT扫描产生详细的内部器官和结构的有代表性的高分辨率图像;他们更敏感,小密度变化比传统的x射线图像。
与其他形式的电离辐射,x射线导致活细胞生物化学变化。高能x射线光子存款的能量释放电子从原子和分子。这些自由电子可以自己电离额外中立的物种。通过这个过程,反应性离子和自由基形成,导致进一步的化学反应。由此产生的辐射诱导化学可以破坏所需的分子链细胞增长和可诱导基因损害(看到辐射损伤)。虽然有重大健康风险暴露在x射线辐射疗法利用上述效应治疗恶性肿瘤和血液疾病等白血病。x射线(和高能伽马射线)是针对组织目标;随之而来的分子破坏块病变细胞的增长。附近的正常细胞,也暴露在电离射线,通常更有能力修复。在一个相关的应用程序中,在农业产业与x射线和伽马射线的辐照食品使用抑制选择性的生长细菌(看到食品保存:食品辐照)。
x射线是一个强大的揭示了结构和诊断工具作文的材料。x射线图像的效用来源于微分吸收材料的x射线的密度不同,组成同质性。在一个常见的应用程序中,x射线用于快速检查航空公司行李的内容。在工业中,使用x射线图像缺陷无损检测铸件中无法直接观察。x射线显微镜能放大x射线吸收以解决图像特征尺度小约40纳米(纳米;十亿分之一米),或约400原子直径。这个决议,大约5倍,达到最好的可见光显微镜,是有可能的,因为小衍射效应与x射线的波长非常短。x射线显微镜通常与“软”操作x射线(1 - soi范围波长)和依靠反射光学(看到光谱:x射线光学)或“区域板块”(看到光学:过滤)实现聚焦。因为水是相对透明的软x射线地区,这些显微镜是研究生物材料在一个水的理想环境。另一个复杂的吸收技术,称为EXAFS(“扩展x射线吸收精细结构”),能够识别在不稳定的原子和分子的短程顺序水晶和样品非晶态固体。
x射线衍射技术(或“x射线晶体学”)允许测定无机晶体结构的有机和生物材料。详细的原子脱氧核糖核酸的双螺旋结构聚合物(DNA)是出了名了詹姆斯沃森和弗朗西斯·克里克通过x射线结晶学的研究莫里斯·威尔金斯。x射线荧光是一种互补的方法定量分析的复合材料。在这种技术中,一个样品暴露于一个电子束主要或一束x射线;结果导致原子激发态x射线与波长样本中的元素的特征。的电子探针使用这个过程来识别成分样本地区小到几微米的一米)。x射线荧光和衍射技术是有价值的艺术品的无损分析的方法。一笔的安排技术和涂在油画颜料,涂料和清漆的存在,作文眼镜,瓷器,瓷釉是通过x射线分析。
许多上述技术增强现代生产的异常高的x射线的强度同步加速器光设备。非常明亮,短的x射线脉冲,调到选定的波长区域,用于探测化学反应在表面,半导体和磁性材料的电子结构,蛋白质和生物大分子的结构和功能。另一个前景看好的高强度的x射线的x射线源激光。连贯的x射线(理想的)——的光谱区已经在实验室中生产。2009年激光实现直线加速器连贯的光源在门洛帕克,加利福尼亚州,在波长为0.15纳米,但建设一个实际的设备在短波长仍然是一个困难的技术挑战。