核心物理原理——X射线与物质的相互作用
什么是X射线
- 定义：X射线，也称为伦琴射线，是一种高能电磁波，它的波长比紫外线更短，但比伽马射线更长，一般来说波长范围在10pm~10nm之间，携带的光子能量则在100eV~100 keV之间
- 分类：按波长穿透能力，又能分为两类，硬X射线（波长较短，通常在10~100 pm，穿透力较强）和软X射线（波长较长，通常在100pm~10nm，穿透力较弱）
- 应用：X射线具有穿透许多固体物质的能力，比如建筑材料和人体的活体组织，这个特性使其在医学诊断和材料科学中广泛应用。X射线也是天文学重要的观测频段，通过使用X射线掠射望远镜和探测器等，探测和研究极热的高能天体产生的高能辐射，如类星体、黑洞和中子星等。
发现与相关成果
- 1895年，德国科学家威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）发现了这种射线，由于当时对其性质尚不了解，他将其命名为X射线——"X"在当时科学中常用来代表未知事物
- 1901年，伦琴因X射线相关研究成果获得第一届诺贝尔物理学奖
- 1912年，德国物理学家劳厄（Max von Laue）通过实验发现X射线在晶体中衍射现象，首次证明了X射线具有波动性质，并揭示了晶体内部结构的周期性。之后，小布拉格（W.L. Bragg）经过反复实验，成功解释了这一现象，并提出了著名的布拉格方程
- 老布拉格（W.H. Bragg）于1913年设计了世界上第一台X射线分光计，并利用这台仪器发现了特征X射线。此后，小布拉格与其父亲合作，利用X射线分析了金刚石的晶体结构，成功验证了化学家对碳原子四个键（化学键）按正四面体排列的猜想。这个发现极大地推动了X射线晶体学的发展，使其成为物理学和化学领域的基础技术之一
如何人工产生X射线？
1、电子激发
- 有两种激发方式可以产生X射线：特征辐射和韧致辐射，它们都需要用高能电子轰击金属靶
- 值得一提的是，上述两种过程效率都不高，大部分能量都转换为了热能逸散
2、同步辐射
- 同步辐射是什么：当电子以接近光速在储存环中运动时，通过磁场区域会发生偏转。根据经典电动力学，带电粒子加速时会辐射电磁波。在相对论效应下，电子辐射的能量集中于其运动方向的前向锥角内，形成强烈的连续频谱辐射，覆盖红外至硬X射线波段，此即同步辐射
- 这种方式产生的X射线亮度高且波长可调，但是成本高，需要大型同步加速器，因此多作为科研用途
X射线与人体的相互作用
- X射线穿过人体时，会和原子发生各种相互作用，主要是光电效应和康普顿散射效应，也可能引起一些化学过程（总之很复杂）
- 上述作用使得光子被吸收或者偏转，宏观上表现为X射线强度衰减
- 衰减规律遵循公式：
\begin{align} {\Large } \mathit{} I=I_{0}e^{-\int \mu \left ( x,y,z \right )\mathbf{} dl } \end{align}
- 其中：
- $\mathit{} I$为透射射线强度
- $\mathit{} I_{0}$为入射射线强度
- $\mathit{} \mu \left ( x,y,z \right )$为物质的衰减系数，它与组织密度和原子序数正相关
- 积分沿着$\mathbf{} dl$方向进行
- 推导过程见此：X射线与物质的相互作用
- 上述公式十分重要，她是DR、现代CT技术的基础，请记住她