探究X射线的本质特征

X射线的本质与可见光、红外线辐射、紫外线以及宇宙射线完全相同，均属电磁波或电磁辐射，同时具有波动性和粒子性特征，波长较可见光短，约与晶体的晶格常数为同一数量级，在10―8cm左右。X射线波长的单位过去常用埃（Å）来表示。按现行国际标准，纳米（nm）为法定单位。1nm=10―9m=10Å。还有一种用晶体学单位的相对表示方法，叫作X单位或kX单位。1kX=1000X=方解石（CaCO3）的（211）晶面间距/3.029 45。随测试精度的进步，这一数值也在变化，现在认为1kX=1.002 056±0.000 005Å。

常见的各种电磁波的波长和频率如图1―1所示。用于晶体结构分析的X射线波长一般为0.25～0.05nm。由于其波长较短，并且穿透能力强，习惯上称之为“硬X线”。金属部件的无损探伤希望用更短的波长，一般为0.1～0.005nm。用于医学透视的X射线的波长很长，故称之为“软X线”。

图1―1　电磁谱（各种射线的上、下限并非十分严格，图示仅为大致的范围）

X射线的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播；它的粒子性则主要表现为它是由大量的不连续粒子流构成的，这些粒子流称为光子。X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质量、能量和动量。描述X射线的波动性的参量频率υ、波长λ与描述粒子性的参量能量ε、动量p之间的关系为

式中，h为普朗克常数，h=6.625×10―34J·s；c为X射线的速度，c=2.998×108m/s。(www.xing528.com)

X射线的波长较可见光短得多，所以能量和动量很大，具有很强的穿透能力。

电磁波是一种横波，当“单色”X射线即波长一定的X射线沿x方向传播时，同时具有电场矢量E和磁场矢量H，这两个矢量总以相同的周期，在两个相互垂直的平面内（即y，z方向）作周期振动，且与x方向相垂直，传播速度等于光速。在X射线分析中我们记录的是电场强度矢量E引起的物理效应，因此以后我们只讨论E矢量的变化，而不再提及磁场强度矢量H。电场矢量E随X射线传播时间或传播距离的变化呈周期性波动，波振幅为A，如图1―2所示。X射线的强度用波动性的观点描述可以认为是单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面上的能量的大小，强度与波振幅A的平方成正比，I∝A2，如图1―2所示。X射线的强度用粒子性描述为单位时间内通过单位截面的光量子数目。X射线的绝对强度的单位是J/（m2·s）。不过，由于X射线的绝对强度难以测定，通常使用相对值，如感光底片的相对黑度、探测器（计数管）的计数等。

图1―2　E的变化

波粒二象性是X射线的客观属性，但是在一定条件下可能只有某一方面的属性表现得较明显，条件变化后可能又使另一特性变得明显。X射线的波动性反映在一物质运动的连续性和在传播过程中发生的干涉、衍射等过程中，而它的粒子性特征则突出地表现在与物质相互作用和交换能量的时候。当X射线与物质原子或电子相互作用时，光子只能整个地被原子或电子吸收或散射。从原则上讲，对同一辐射所具有的波动性与粒子性的描述，既可以用时间和空间展开的数学形式来描述，也可以用统计学的方法确定在某时间和某位置粒子出现的概率。因此我们必须同时接受波动和粒子两种模型。