[科普中国]-X射线

发现历史

最早发现X射线是特斯拉，特斯拉制定了许多实验来产生X射线。特斯拉认为用他的电路，“我的仪器可以产生的爱克斯光（即X射线）的能量比一般仪器可以产生的要大的多。”

他还谈到用他的电路和单节点X射线产生设备在工作时的危害。在他许多调查这种现象的记录中，他归结了导致皮肤损伤的许多原因。他认为早期的皮肤损伤并不是X射线所引起的，而是臭氧的产生与皮肤接触，和一些亚硝酸接触所致。特斯拉错误地认为X射线是由分离的粒子组成的。

特斯拉完成了一些实验，并先于伦琴证实了他的发现（包括拍摄他的手的X射线照片，之后他将照片寄给了伦琴），但没有使他的发现众所周知，他的大部分研究资料在1895年3月的第五大道一次实验室大火中给烧毁了。

德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授（1845～1923年），在他从事阴极射线的研究时，发现了X射线。

1895年11月8日傍晚，他研究阴极射线。为了防止外界光线对放电管的影响，也为了不使管内的可见光漏出管外，他把房间全部弄黑，还用黑色硬纸给放电管做了个封套。为了检查封套是否漏光，他给放电管接上电源（茹科夫线圈的电极），他看到封套没有漏光而满意。可是当他切断电源后，却意外地发现一米以外的一个小工作台上有闪光，闪光是从一块荧光屏上发出的。然而阴极射线只能在空气中进行几个厘米，这是别人和他自己的实验早已证实的结论。于是他重复刚才的实验，把屏一步步地移远，直到2米以外仍可见到屏上有荧光。伦琴认为这不是阴极射线了。伦琴经过反复实验，确信这是种尚未为人所知的新射线，便取名为X射线。他发现X射线可穿透千页书、2～3厘米厚的木板、几厘米厚的硬橡皮、15毫米厚的铝板等等。可是1.5毫米的铅板几乎就完全把X射线挡住了。他偶然发现X射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓，于是有一次他夫人到实验室来看他时，他请她把手放在用黑纸包严的照相底片上，然后用X射线对准照射15分钟，显影后，底片上清晰地呈现出他夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也很清楚。这是一张具有历史意义的照片，它表明了人类可借助X射线，隔着皮肉去透视骨骼。1895年12月28日伦琴向维尔茨堡物理医学学会递交了第一篇X射线的论文“一种新射线——初步报告”，报告中叙述了实验的装置，做法，初步发现的X射线的性质等等。X射线的发现，又很快地导致了一项新发现——放射性的发现。1

自伦琴发现X射线后，许多物理学家都在积极地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后发现X射线的偏振现象，但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射，仍不清楚。1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线的干涉现象》一文。

劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，老布拉格（WH.Bragg）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格（WL.Bragg）则刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室。由于都是X射线微粒论者，两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式，清楚地解释了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用X射线来获取晶体结构的信息。

1912年11月，年仅22岁的小布位格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件，它充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性，使其开始为物理学家和化学家普遍接受。3

它是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线-1895年、放射线-1896年、电子-1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。4

原理产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能（其中的1%）会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为特性辐射。

产生电子的韧制辐射，用高能电子轰击金属，电子在打进金属的过程中急剧减速，按照电磁学，有加速的带电粒子会辐射电磁波，如果电子能量很大，比如上万电子伏，就可以产生x射线，这是目前实验室和工厂，医院等地方用的产生x射线的方法。

原子的内层电子跃迁也可以产生x射线，量子力学的理论，电子从高能级往低能级跃迁时候会辐射光子，如果能级的能量差比较大，就可以发出x射线波段的光子。

分类辐射分类轫致辐射：当高速电子流撞击阳极靶受到制动时，电子在原子核的强电场作用下，速度的量值和方向都发生急剧的变化，一部分动能转化为光子的能量而辐射出去，这就是轫致辐射。

x射线管在管电压较低的时，被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度，只发射连续光谱的辐射。

特征辐射：一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射，特征光谱和靶材料有关。5

波长分类

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特性X射线是一种波长极短，能量很大的电磁波，X射线的波长比可见光的波长更短（约在0.001～100纳米，医学上应用的X射线波长约在0.001～0.1纳米之间），它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。6

物理特性1、穿透作用。X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。

2、电离作用。物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。

3、荧光作用。X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光（可见光或紫外线），荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。

4、热作用。物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高。

5、干涉、衍射、反射、折射作用。这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。6

化学特性1、感光作用。X射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比，当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。

2、着色作用。X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水而改变颜色。6

生物特性X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，在应用X射线的同时，也应注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。6

应用X射线诊断X射线应用于医学诊断7，主要依据X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用。由于X射线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的X射线量比肌肉吸收的量要多，那么通过人体后的X射线量就不一样，这样便携带了人体各部密度分布的信息，在荧光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大差别，因而在荧光屏上或摄影胶片上(经过显影、定影)将显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡的对比，结合临床表现、化验结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。于是，X射线诊断技术便成了世界上最早应用的非刨伤性的内脏检查技术。

X射线治疗X射线应用于治疗8，主要依据其生物效应，应用不同能量的X射线对人体病灶部分的细胞组织进行照射时，即可使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病，特别是肿瘤的治疗目的。

工业领域X射线可激发荧光9、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测研究领域，晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段

X射线的危害及防护危害电离辐射对人体的损伤非常广泛，而且难以预测10。射线对机体的影响，由于受多种因素的影响所引起的临床反应亦多种多样。射线对人体的损伤显现在受照者本身时称躯体(本体)效应。如影响到受照者后代则称遗传效应。按对受照者损伤的范围不同又可分全身效应(如急、慢性放射病)．单一组织的效应(如皮肤损伤、眼晶体损伤等)和胎内照射的效应(如胎儿畸型等)。若从x线作用于机体后产生效应的时间考虑，尚可分近期和远期效应。

辐射损伤是一定量的电离辐射作用于机体后，受照机体所引起的病理反应。急性放射损伤是由于一次或短时间内受大剂量照射所致，主要发生于事故性照射。在慢性小剂量连续照射的情况下，值得重视的是慢性放射损伤，主要由于X线职业人员平日不注意防护，较长时间接受超允许剂量所引起的。

长期接受X线会对人体造成很多伤害，如：自主神经功能紊乱、造血功能低下、晶状体浑浊，精子生成障碍，甚至诱发肿瘤等。X线损伤是医护人员 最常见的放射损伤。遭受损伤的细胞、组织、器官还可以引起机体继发性损伤，使机体产生一系列生物化学的变化、代谢的紊乱、功能的失调以及病理形态等方面的改变，损伤严重可导致机体死亡。X线辐射可能引起的临床症状有乏力、头昏、头痛、耳鸣、睡眠障碍、记忆力减退、多汗、心悸等；其次为消化道症状如腹痛腹胀；少数人牙痛，牙龈易出血，但无明显的皮肤出血点及瘀斑；部分人易感冒、腰痛、关节酸痛等。X线辐射能对胎儿造成严重的影响，胎儿宫内有害效应可分为致死效应、致畸效应、致严重智力低下和致癌。

防护1）在不影响诊疗效果的前提下，工作人员和病人所受的放射量尽可能保持最低量，可通过缩短照射时间、增加距离和利用辐射屏蔽来实现11。

2）剂量限制：被照射的工作人员必须进行剂量检测。计量仪可精确显示工作人员接触的放射量，并每月检查计量仪记录值，特别应注意没有绝对安全的照射剂量。

3）美国、日本等大多数发达国家都已淘汰胸透检查，在为数不多的使用国家中，英国的使用频率仅为0．2%，而我国则高达61．8%！是发达国家300多倍。在临床中能不使用电离辐射就尽量不使用。尽可能运用其他无害手段进行诊断。

4）我国卫生部2002年1月 3日发布的《国家放射工作卫生防护管理办法》明确规定: :“ (用放射射线) 进行诊断、治疗时，应当按照操作规程，严格控制受照剂量，对临近照野的敏感器官和组织应当进行屏蔽防护。对孕妇和儿童进行医疗照射时，应当告知对健康的影响。但是现在各大医院对于此项规定均视而不见，持忽视态度！对患者的健康不负责任。对于术中需进行C型臂检查以及床旁照射的手术，工作人员应穿铅衣、戴铅皮手套、佩戴护目镜和含铅围脖。

5）尽量缩短X线的曝光时间。接触光束时间越长，接受放射的剂量就越大。要求X线工作人员技术熟练，避免重复性照射，尽量减少接触时间。

6）在放射源和工作人员之间放置一种能有效吸收射线的屏蔽材料，从而减弱或消除射线对人体的危害。屏蔽防护有一定的防护作用，但对高能量射线来说防护屏蔽作用较少，如铅围裙只能在放射诊断时使用，对高能量防护作用较弱。

随着人们X线生物学效应的认识不断提高，在新型X线设备中大量使用了新材料、新技术、新工艺，使这些设备的射线防护功能日益完善。当今临床放射学之所以能够得以迅速发展，足以说明其功大于过。只要我们合理利用，X线永远是人类健康的朋友。希望在不远的未来，医院与患者双方都能够遵照国家规定，对X光谨慎利用，安全防护。不能为医务人员和患者埋下未来疾病的隐形炸弹。