X射线的性质和产生过程

2.1.1.1 X射线的主要性质

1895年物理学家伦琴在研究阴极射线性质时，发现了X射线。物理学家以后的研究证明，X射线和光一样也是电磁波，其在电磁波谱中的位置如图2.2-1所示。按现代物理的量子理论，X射线是光（量）子组成的粒子流，其光（量子）的能量为

ε=hν （2.2-1）

式中 h——普朗克常数，值为6.626×10^-34J·s；

ν——电磁波的频率，Hz。

X射线既具有波动性也具有粒子性，即具有波粒二象性。

图2.2-1 电磁波谱

X射线光子的能量远大于可见光，所以在性质上与可见光存在明显的不同。X射线的主要性质可以归纳为下列几个方面：

1）在真空中以光速沿直线传播，不受电场或磁场的影响。

2）在媒质界面可以发生反射、折射，但其反射、折射与可见光有很大差别。对于常见的媒质，X射线不能产生可见光那样的镜面反射；X射线从一种媒质进入另一种媒质时将发生折射，但折射率几乎等于1。

3）X射线也可以发生干涉、衍射现象，但由于X射线的波长远小于可见光的波长，所以干涉、衍射现象只有对很小很小的孔、狭缝等才能观察到。

4）与可见光不同，人的眼睛是看不见X射线的，并且它能够穿透可见光不能穿透的物体（即对可见光是不透明的物体）。波长短的X射线称为硬X射线，其光子的能量大，穿透物体的能力强；波长较长的X射线称为软X射线，其穿透物体的能力较弱。

5）当X射线射入物体时，将与物质发生复杂的物理作用和化学作用，如使物质原子发生电离、使某些物质发出荧光、使某些物质产生光化学反应等。

6）具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，损害生物组织，危及生物器官的正常功能。

2.1.1.2 X射线谱

在X射线管中，高速电子撞击到阳极靶上时产生X射线。所辐射的X射线强度随波长的分布如图2.2-2所示，这种强度随波长分布的关系称为X射线谱。

从图2.2-2可以看到，X射线谱由两部分组成：连续（能）谱和特征（能）谱。

连续谱，即强度随波长连续分布的辐射部分，特征谱是在特定波长上辐射的部分。

图2.2-2 钼靶的X射线谱

连续谱X射线产生于轫致辐射过程。连续谱X射线的强度随波长的分布与加速电子的电压、被撞击物体（靶物质）的原子序数及单位时间撞击到物体（靶物质）的电子数（决定于X射线管管电流）相关。连续谱X射线的总强度与上述因素的经验关系可写为^[1]

I=αiZV^m （2.2-2）

式中 I——连续谱X射线总强度；

i——管电流；(www.xing528.com)

Z——阳极靶物质的原子序数；

V——管电压；

α——比例常数，当管电压的单位取kV、管电流的单位取mA时，其值约为（1.1～1.4）×10^-6；

m——常数，值约为2。

辐射强度在空间的分布不是相同的，图2.2-3是不同波长X射线强度空间分布的一个典型测量结果。

图2.2-3 连续谱X射线强度空间分布

注：曲线从里到外依次为：16.4keV，24.0keV，31.0keV，37.8keV。

从能量守恒定律，即电子的全部动能转变为光子能量，可以得到连续谱的最短波长和加速电压之间的下述关系

式中 V——加速电压（kV）；

λ_min——最短波长（cm）。

当加速电压超过一临界值——激发电位时，将会出现叠加在连续谱上的线状谱线，即仅在某些特定的波长位置出现的强度很大的谱线，它们称为特征谱或标志谱。某些元素的激发电位和K系主要特征谱线波长见表2.2-1。

表2.2-1 部分元素的激发电压与K系主要谱线波长

（续）

特征谱线是在跃迁过程产生的辐射，依电子跃迁命名为K、L、M、…系谱线。每一元素其特征谱线都有特定的结构，每一谱线都有特定的波长。特征谱的这些特点反映了物质原子结构的特点。

特征谱线的波长与发射元素的原子序数Z存在下列关系

式中 ν——特征谱线的频率；

C——常数；

σ——常数。

这个关系称为莫塞莱定律，常数σ用以修正轨道电子对核电荷的屏蔽作用。图2.2-4是一些主要谱线的莫塞莱曲线，它具体描述了这个关系。