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“透視眼”X射線 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2013-07-17 12:32:25 瀏覽次數: |
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X射線于1895年由倫琴(W.K.Rontgen)所發現,由于倫琴發現這種射線時無法確定其性質,故稱為X射線。后來為紀念它的發明者也稱為倫琴射線。它具有如下特性:①肉眼不能觀察到,但可使照相底片感光、熒光板發光和使氣體電離;②有很高的穿透能力,能透過可見光不能透過的物體;③這種射線沿直線傳播,在電場與磁場中不偏轉,穿透物質時可以被偏振極化,被物質吸收而強度衰減,但不發生反射、折射現象,通過普通光柵亦不引起衍射;④能殺傷生物細胞。X射線由于具有以上特性,一經發現就引起了全世界科學家的注意。
X射線的產生原理
X射線的產生如下圖所示。改圖是電子式X射線管,是由玻璃制造的圓柱形管子,管中氣壓在10-6厘米水銀柱以下,管中有兩個金屬的電極,陰極為鎢絲卷成,由兩根導線通入3—4安培的電流,在鎢絲周圍產生大量的熱電子。在陰極和陽極之間加以高電壓(30—50千伏),使鎢絲周圍的熱電子向陽極作加速度運動。陽極為某種金屬的磨光面,當高速運動的電子與陽極(或稱“靶”)相碰時,驟然停止運動,此時電子能量的大部分變為熱能,一部分變成X光子能量,由靶面射出X射線。
X射線產生原理
由于電子動能轉變為X射線的能量和方式不同,產生的X射線的類型也不同。如果產生的X射線的波長在一個范圍內連續變化,稱為連續X射線;如果產生的X射線的波長有一確定的值,則稱為特征X射線。也經常按波長范圍將X射線分為硬X射線(波長短的X射線)和軟X射線(波長長的X射線)。X射線分析中常使用波長為0.5—2.5Å的X射線,屬軟X射線。
X射線的特征
(1)頻率值高
X射線的特征是波長非常短,頻率很高,其波長約為(20~0.06)×10-8厘米之間。因此X射線必定是由于原子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的。所以X射線光譜是原子中最靠內層的電子躍遷時發出來的,而光學光譜則是外層的電子躍遷時發射出來的。X射線在電場磁場中不偏轉。這說明X射線是不帶電的粒子流,因此能產生干涉、衍射現象。
(2)輻射同步
X射線譜由連續譜和標識譜兩部分組成,標識譜重疊在連續譜背景上,連續譜是由于高速電子受靶極阻擋而產生的軔致輻射,其短波極限λ0由加速電壓V決定:λ0=hc/(ev),h為普朗克常數,e為電子電量,c為真空中的光速。標識譜是由一系列線狀譜組成,它們是因靶元素內層電子的躍遷而產生,每種元素各有一套特定的標識譜,反映了原子殼層結構。同步輻射源可產生高強度的連續譜X射線,現已成為重要的X射線源。
(3)穿透力強
X射線具有很高的穿透本領,能透過許多對可見光不透明的物質,如墨紙、木料等。這種肉眼看不見的射線可以使很多固體材料發生可見的熒光,使照相底片感光以及空氣電離等效應,波長越短的X射線能量越大,叫做硬X射線,波長長的X射線能量較低,稱為軟X射線。當在真空中,高速運動的電子轟擊金屬靶時,靶就放出X射線,這就是X射線管的結構原理。
X射線衍射的發展歷程
許多物理學家研究探索了X射線的產生及其本質。
Barkla于1905年和1909年先后發現了X射線的偏振現象和特征射線譜,從而將關于X射線性質的討論縮小到了電磁波還是微粒輻射的范圍。
1908~1909年間,德國漢堡的Walter和Pohl將X射線透過一種寬0.02mm、厚1~2mm的金屬光柵,并且得到了模糊的刷子狀條紋。
1910年Koch發現這些條紋的強度是起伏變化的并認為是由衍射所造成,從而證實了X射線是一種電磁波。
Sommerfeld根據衍射條紋間距首次計算出了X射線的波長。
1912年,Laue在與Ewald的一次討論中,根據X射線的波長與晶體中共振體間距的量級關系想到了X射線在晶體中產生衍射的可能性,并在Friedrich和Knipping的協助下于1912年完成了一項劃時代的發現,他們成功地獲得了 CuSO4•5H2O(膽礬)的衍射花樣。后又相繼獲得了ZnS、PbS、NaCl的衍射圖,再次證明X射線的電磁波性質。
Laue隨即給出了三維光柵(晶體)衍射的數學表達式,即著名的Laue方程,從此奠定了X射線衍射學的基礎。
Bragg父子(W.L.布拉格和W.H.布拉格)對勞埃衍射花樣進行了深入的研究,他們認為衍射斑點是由晶體中原子較密集的一些晶面反射而得出的,基于這個認識,并結合實驗,他們導出了著名的Bragg方程,與Laue方程一起構成了X射線衍射的運動學理論。
經過科學家的共同研究,形成了相對完整的X射線的動力學理論。
X射線運動學和動力學理論的建立使X射線衍射分析成為一個重要的科學分支。
X射線的應用
X射線檢測作為一種現代檢測技術,已經滲透到包括醫學、物理、化學、天文、生命科學和材料科學等各個領域。
(1)醫學領域
醫學領域是X射線技術應用最廣泛的領域。X射線應用于醫學診斷,主要依據X射線的穿透作用、差別吸收、感光作用和熒光作用。由于X射線穿過人體時,受到不同程度的吸收,如骨骼吸收的X射線量比肌肉吸收的量要多,那么通過人體后的X射線量就不一樣,這樣便攜帶了人體各部密度分布的信息,在熒光屏上或攝影膠片上引起的熒光作用或感光作用的強弱就有較大差別,因而在熒光屏上或攝影膠片上(經過顯影、定影)將顯示出不同密度的陰影。根據陰影濃淡的對比,結合臨床表現、化驗結果和病理診斷,即可判斷人體某一部分是否正常。于是,X射線診斷技術便成了世界上最早應用的非刨傷性的內臟檢查技術。
X射線應用于治療,主要依據其生物效應,應用不同能量的X射線對人體病灶部分的細胞組織進行照射時,即可使被照射的細胞組織受到破壞或抑制,從而達到對某些疾病,特別是腫瘤的治療目的。
X射線照射下的手掌影像圖
(2)工業領域
X射線可激發熒光、使氣體電離、使感光乳膠感光,故X射線可用電離計、閃爍計數器和感光乳膠片等檢測。
(3)研究領域
晶體的點陣結構對X射線可產生顯著的衍射作用,X射線衍射法已成為研究晶體結構、形貌和各種缺陷的重要手段。 |
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