概述,危害,倫琴與X射線,X射線與醫療,特點,分類,套用,發現,柏克勒爾的貢獻,X射線的產生,
概述
1895年，德國菲試堡物理研究所所長兼物理學教授威廉·孔拉德·倫琴把新發現的電磁波命名為X光，這個“X” 是無法了解的意思。世人為了表示對發明者的敬意，亦稱之為“倫琴線”。X光是一種有能量的電磁波或輻射。當高速移動的電子撞擊任何形態的物質時，X光便有可能發生。X光具有穿透性，對不同密度的物質有不同的穿透能力。在醫學上X光用來投射人體器官及骨骼形成影象，用來輔助診斷。就在倫琴宣布發現X射線的第四天，一位美國醫生就用X射線照相發現了傷員腳上的子彈。
1895年，物理學家倫琴在探索陰極射線本性的研究中，意外發現了X光。X光的發現，不僅揭開了物理學革命的序幕，也給醫療保健事業帶來了新的希望。倫琴因此成為第一個諾貝爾物理學獎得主。X射線的發現是人類揭開研究微觀世界序幕的“三大發現”之一。
x光是穿透性很強的射線，一種高能量光波粒子，所以一般物體都擋不住，射線要被阻擋，關鍵由射線強度、頻率、阻擋物質與射線作用程度、阻擋物質厚度、阻擋物質大小共同決定。一般情況下，常見的X光（醫院用）大約3~5cm的鉛塊就可以阻擋了。但是也會在背景屏上會顯示阻擋物的陰影形狀，就好像日食，雖擋住了太陽光，卻留下了陰影。
倫琴在一次在暗房裡洗照片時，把一個光導管放在了旁邊。結果，在沒有太陽光照射下，照片竟被過度曝光了。這是只有在洗照片時經陽光直射才可能發生的。難道在可見光之外還有別的光存在？倫琴對這一現象作了仔細研究。經過反覆試驗，他發現是光導管中無意產生的一種不可見光。他又經過了多次試驗，又發現了這種光束能穿透金屬以外的物體的特性，把它廣泛運用於各個方面，並為後來發現紅，紫外線等不可見光奠定了基礎。
危害
X光檢查作為一種常見的醫學診斷手段在國內臨床上得到廣泛的套用，儘管大部分患者知道輻射對健康有一定危害，但都認為其危害微乎其微，為了治病也習慣於暴露在X光射線之下。
根據國際輻射防護委員會的最新的研究結果估算，以一座1000萬左右人口的城市為例，每年大約會有350人左右可能因照射X光誘發癌症、白血病或其他遺傳性疾病。在X光、CT檢查比較普遍的日本，每年新增癌症病例中3．2%是由這兩種檢查造成的。
有專家指出，X射線檢查對人體有損傷，射線照得越多，致癌的危險性越大，因此國家衛生部早在2002年頒發的《放射工作衛生防護管理辦法》中就明確規定，醫務人員應對受檢者進行必要的防護。但是令人感到震驚的是，目前大部分的醫院都在違規操作，“病人無任何防護進行X射線檢查”似乎已成慣例，而鮮有人意識到其中的危害，事實上大多數的患者恐怕都不知道衛生部有這個規定存在。
倫琴與X射線
1895年倫琴的著名論文的最後，他寫道：
這個“進一步的確證”始終沒有得到，而且，花了整整十六年，依靠了馬克斯·馮·勞厄(MaxvonLaue)和弗里德里希(Friedrich)以及克尼平(Knipping)的工作才解決了關於X射線性質的爭論。
在發現了X射線後的數月中，倫琴收到了來自世界各地的講學邀請，但是除了一個例外他謝絕了所有的邀請，因為他要繼續研究他的X射線。他給請他去演示新射線的同行們寫了簡訊，表達他的歉意，說明他沒有時間作任何報告或表演。唯一的例外是對皇帝，1896年1月13日他給皇帝演示了他的X射線。
要給皇帝表演這件事一直使倫琴感到緊張，“我希望我使用這個管子時將托皇帝之福，遇上好運氣，”他說，“因為這些管子是非常易碎的，經常被損壞……抽空一根管子需要四天。”但是沒有出什麼事。象倫琴收到的這樣一種去宮廷的邀請，除了講演和演示之外，還要與皇帝一同進餐，接受一枚勳章(二級王冠勳章)，離去時，為了表示對陛下的尊敬，還得退著走出來。關於這一點，理察·威爾斯泰特(Richard Willstatter)，對葉綠素複雜機製作出解釋的大有機化學家說，他和氨的合成者弗里茨·哈貝爾(Fritz Haber)，在取得了他們的發現後，也曾期待著皇帝的邀請。所以他們練習倒退著走路。威爾斯泰特是一位精製瓷器的收集者，在他們練習倒走的房間裡有一隻昂貴的瓷瓶，不出所料，他們的練習以這隻瓷瓶被打碎而告終。雖然他們沒有受到皇帝邀請，但他們所做的練習並不是徒勞無益的。後來兩人都獲得了諾貝爾獎金。按照禮節，在他們從瑞典國王手中接過獎品之後必須倒退著走路。
倫琴發現了X射線之後，物理學家和醫學界人士趕緊研究這種新的射線。在1896起已有1000篇以上關於這個課題的論文。在1896至1897年間，倫琴自己只寫了兩篇關於X射線的文章。然後，他回到原先研究的課題上去，在以後的二十四年里寫過七篇只引起短暫興趣的文章，而把對X射線的研究讓給了其他的年輕的新生力量。對他這樣的做法的理由，人們只能推測而已。
X射線與醫療
為了使醫生可以更清晰對人體內臟器官的病灶和症狀進行觀察、更好地對症下藥，迅速、徹底地解除病人的痛楚，世界各國科學家孜孜不倦的對醫療影像技術進行著研究和改進。20世紀70年代中期，電子計算機的套用為醫療影像帶來了第一次革命性的創新，結合了電子計算機技術的第一台醫療影像設備——CT掃瞄器誕生了！利用電子計算機X射線斷層成像（CT），可以更好的分辨人體內部結構圖像，大幅提高了疾病診斷的準確性，成為為20世紀醫學診斷領域所取得的最重大的突破之一。此後，醫療影像技術迅猛發展，核磁共振成像（MRI）、計算機放射成像（CR）、數字放射成像(DR)、發射式計算機斷層成像（ECT）等各種數位化醫療影像新技術不斷湧現，組成了功能強大的放射成像信息系統（RIS），成為醫療診斷必不可少的重要基石。
基於X射線的CT掃瞄器
基於X射線的CT掃瞄器在世界已開發國家的大醫院裡，早在20世紀80年代初期就建成了完善的HIS，實現了現代化醫療管理。隨著HIS的快速發展，傳統的醫療影像資料和數據的存儲和處理方式已經不再滿足需要，於是在歐洲、美國等已開發國家在80年代中期開始研究更先進的醫學影像存檔及通訊系統（PACS），並於90年代初期與RIS組成PACS/RIS陸續套用到HIS之中。
以數位化醫療影像技術為基礎，建立PACS/RIS，完善HIS，構成了當今世界數位化醫療的新格局。在這股洶湧而來的數位化醫療浪潮中，而柯達公司正是這股浪潮中提供高新科技的先軀，其實，柯達公司在1976年就開發出了數字相機技術，並將數字影像技術套用於航天領域，在數字影像領域積累了雄厚的技術實力。
歷史 早期X射線重要的研究者有Ivan Pului教授、威廉·克魯克斯爵士、約翰·威廉·希托夫、Eugene Goldstein、海因里希·魯道夫·赫茲、菲利普·萊納德、亥姆霍茲、尼古拉·特斯拉、愛迪生、Charles Glover Barkla、馬克思·馮·勞厄和威廉·康拉德·倫琴。 物理學家希托夫觀察到真空管中的陰極發出的射線。當這些射線遇到玻璃管壁會產生螢光。1876年這種射線被Eugene Goldstein命名為"陰極射線"。隨後，英國物理學家克魯克斯研究稀有氣體里的能量釋放，並且製造了克魯克斯管。這是一種玻璃真空管，內有可以產生高電壓的電極。他還發現，當將未曝光的相片底片靠近這種管時，一些部分被感光了，但是他沒有繼續研究這一現象。1887年4月，尼古拉·特斯拉開始使用自己設計的高電壓真空管與克魯克斯管研究X光。他發明了單電極X光管，在其中電子穿過物質，發生了現在叫做韌致輻射的效應，生成高能X光射線。1892年特斯拉完成了這些實驗，但是他並沒有使用X光這個名字，而只是籠統成為放射能。他繼續進行實驗，並提醒科學界注意陰極射線對生物體的危害性，並他沒有公開自己的實驗成果。1892年赫茲進行實驗，提出陰極射線可以穿透非常薄的金屬箔。赫茲的學生倫納德進一步研究這一效應，對很多金屬進行了實驗。亥姆霍茲則對光的電磁本性進行了數學推導。 1895年11月8日德國科學家倫琴開始進行陰極射線的研究。1895年12月28日他完成了初步的實驗報告“一種新的射線”。他把這項成果發布在 維爾茨堡's Physical-Medical Society 雜誌上。為了表明這是一種新的射線，倫琴採用表示未知數的X來命名。很多科學家主張命名為倫琴射線，倫琴自己堅決反對，但是這一名稱仍然有人使用。1901年倫琴獲得諾貝爾物理學獎。 1895年愛迪生研究了材料在X光照射下發出螢光的能力，發現鎢酸鈣最為明顯。1896年3月愛迪生發明了螢光觀察管，後來被用於醫用X光的檢驗。然而1903年愛迪生終止了自己對X光的研究。因為他公司的一名玻璃工人喜歡將X光管放在手上檢驗，得上了癌症，儘管進行了截肢手術仍然沒能挽回生命。1906年物理學家貝克勒耳發現X射線能夠被氣體散射，並且每一種元素有其特徵X譜線。他因此獲得了1917年諾貝爾物理學獎。 在20世紀80年代，X射線雷射器被設定為隆納·雷根總統的戰略主動防禦計畫的一部分。然而對該裝置（一種類似雷射炮，或者死亡射線的裝置，由熱核反應提供能量）最初的、同時也是僅有的試驗並沒有給出結論性的結果。同時，由於政治和技術的原因，整體的計畫（包括X射線雷射器）被擱置了（然而該計畫後來又被重新啟動——使用了不同的技術，並作為布希總統國家飛彈防禦計畫的一部分）。 在20世紀90年代，哈佛大學建立了Chandra X射線天文台，用來觀測宇宙中強烈的天文現象中產生的X射線。與從可見光觀測到的相對穩定的宇宙不同，從X射線觀測到的宇宙是不穩定的。它向人們展示了恆星如何被黑洞絞碎，星系間的碰撞，超新星和中子星（that build up layers of plasma that then explode into space）。
特點
X射線的特徵是波長非常短，頻率很高，其波長約為（20～0.06）×10-8厘米之間。因此X射線必定是由於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。 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，連續譜是由於高速電子受靶極阻擋而產生的 軔致輻射 ，其短波極限λ 0 由加速電壓V決定：λ 0 = hc /( ev )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。 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螢光，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。
分類
放出的X射線分為兩類： （1）如果被靶阻擋的電子的能量，不越過一定限度時，只發射連續光譜的輻射。這種輻射叫做軔致輻射，連續光譜的性質和靶材料無關。 （2）一種不連續的，它只有幾條特殊的線狀光譜，這種發射線狀光譜的輻射叫做特徵輻射，特徵光譜和靶材料有關。
套用
醫用診斷X線機
醫學上常用作輔助檢查方法之一。臨床上常用的x線檢查方法有透視和攝片兩種。透視較經濟、方便，並可隨意變動受檢部位作多方面的觀察，但不能留下客觀的記錄，也不易分辨細節。攝片能使受檢部位結構清晰地顯示於x線片上，並可作為客觀記錄長期保存，以便在需要時隨時加以研究或在複查時作比較。必要時還可作x線特殊檢查，如斷層攝影、記波攝影以及造影檢查等。選擇何種x線檢查方法，必須根據受檢查的具體情況，從解決疾病（尤其是骨科疾病）的要求和臨床需要而定。x線檢查僅是臨床輔助診斷方法之一。 工業中用來探傷。長期受X射線輻射對人體有傷害。X射線可激發螢光、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。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。 X射線具有很強的穿透力，醫學上常用作透視檢查，工業中用來探傷。長期受X射線輻射對人體有傷害。X射線可激發螢光、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。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。
發現
1895年11月8日是一個星期五。晚上，德國慕尼黑伍爾茨堡大學的整個校園都沉浸在一片靜悄悄的氣氛當中，大家都回家度周末去了。但是還有一個房間依然亮著燈光。燈光下，一位年過半百的學者凝視著一疊灰黑色的照相底片在發獃，仿佛陷入了深深的沉思…… 他在思索什麼呢？原來，這位學者以前做過一次放電實驗，為了確保實驗的精確性，他事先用錫紙和硬紙板把各種實驗器材都包裹得嚴嚴實實，並且用一個沒有安裝鋁窗的陰極管讓陰極射線透出。可是現在，他卻驚奇地發現，對著陰極射線發射的一塊塗有氰亞鉑酸鋇的螢幕(這個螢幕用於另外一個實驗)發出了光.而放電管旁邊這疊原本嚴密封閉的底片，現在也變成了灰黑色—這說明它們已經曝光了！ 這個一般人很快就會忽略的現象，卻引起了這位學者的注意，使他產生了濃厚的興趣。他想：底片的變化，恰恰說明放電管放出了一種穿透力極強的新射線，它甚至能夠穿透裝底片的袋子！一定要好好研究一下。不過—既然目前還不知道它是什麼射線，於是取名“X射線”。 於是，這位學者開始了對這種神秘的X射線的研究。 他先把一個塗有磷光物質的螢幕放在放電管附近，結果發現螢幕馬上發出了亮光。接著，他嘗試著拿一些平時不透光的較輕物質—比如書本、橡皮板和木板—放到放電管和螢幕之間去擋那束看不見的神秘射線，可是誰也不能把它擋住，在螢幕上幾乎看不到任何陰影，它甚至能夠輕而易舉地穿透15毫米厚的鋁板！直到他把一塊厚厚的金屬板放在放電管與螢幕之間，螢幕上才出現了金屬板的陰影—看來這種射線還是沒有能力穿透太厚的物質。實驗還發現,只有鉛板和鉑板才能使屏不發光，當陰極管被接通時,放在旁邊的照相底片也將被感光，即使用厚厚的黑紙將底片包起來也無濟於事。 接下來更為神奇的現象發生了， 一天晚上倫琴很晚也沒回家，他的妻子來實驗室看他，於是他的妻子便成了在那不明輻射作用下在照相底片上留下痕跡的第一人。
柏克勒爾的貢獻
如果從純粹科學的觀點來看，繼X射線這一重大發現之後，1896年，湯姆生等人又有一個更重要的發現：當這些射線通過氣體時，它們就使氣體變成異電體，在這個研究範圍內，液體電解質的離子說已經指明液體中的導電現象有著類似的機制。在X射線通過氣體以後，再加以切斷，氣體的導電性仍然可以維持一會兒，然後就慢慢地消失了。湯姆生髮現，當由於X射線的射入而變成導體的氣體，通過玻璃綿或兩個電性相反的帶電板之間時，其導電性就消失了。這就說明，氣體之所以能夠導電，是由於含有荷電的質點，這些荷電的質點一旦與玻璃綿或帶電板之一相接觸，就放出電荷。 從這些實驗可以明白，雖然離子是液體電解質中平常而永久的構造的一部分，但是，在氣體中，只有X射線或其他電離劑施加作用時才會產生離子。如果順其自然，離子就會漸漸重新結合乃至最終消失。玻璃面的表面很大，可能吸收離子或幫助離子重新結合。如果外加的電動勢相當高，便可以使離子一產生出來就馬上跑到電極上去，因而電動勢再增高，電流也不能再加大。 倫琴的發現還開創了另一研究領域，即放射現象的領域。既然X射線能對磷光質發生顯著的效應，人們很自然地就會提出這樣的問題，這種磷光質或其他天然物體，是否也可以產生類似於X射線那樣的射線呢？在這一研究中首先獲得成功的是法國物理學家亨利·柏克勒爾。 柏克勒爾出身於科學世家，他的整個家族一直都在默默地研究著螢光、磷光等發光現象。他的父親對螢光的研究在當時堪稱世界一流水平，提出了鈾化合物發生螢光的詳細機制。柏克勒爾自幼就對物理學相當痴迷，他不止一次地在內心深處宣讀誓言，一定要超出祖父、父親所作出的貢獻，為此，他作出了不知超過常人多少倍的努力。 那一天，當他冒著刺骨的冷風，參觀完倫琴X射線的照片後，他既為倫琴的發現所激動，又為自己的無所建樹而汗顏。他浮想聯翩，猜想X射線肯定與他長期研究的螢光現象有著密切的關係。在19世紀末物理大發現的輝煌樂章中，柏克勒爾注定要演奏主旋律部分了。為了進一步證實X射線與螢光的關係，他從父親那裡找來螢光物質鈾鹽，立即投入到緊張而又有條不紊的實驗中。他十分迫切地想知道鈾鹽的螢光輻射中是否含X射線，他把這種鈾鹽放在用黑紙密封的照相底片上。他在心裡想，黑色密封紙可以避陽光，不會使底片感光，如果太陽光激發出的螢光中含有X射線，就會穿透黑紙使照相底片感光。真不知道密封底片能否感光成功。 1896年2月，柏克勒爾把鈾鹽和密封的底片，一起放在晚冬的太陽光下，一連曝曬了好幾個小時。晚上，當他從暗室里大喊大叫著衝出來的時候，他激動得快要發瘋了，他所夢寐以求的現象終於出現：鈾鹽使底片感了光！他又一連重複了好幾次這樣的實驗，後來，他又用金屬片放在密封的感光底片和鈾鹽之間，發現X射線是可以穿透它們使底片感光的。如果不能穿透金屬片就不是X射線。這樣作了幾次以後，他發現底片感光了，X射線穿透了他放置的鋁片和銅片。這似乎更加證明，鈾鹽這種螢光物質在照射陽光之後，除了發出螢光，也發出了X射線。 1896年2月24日，柏克勒爾把上述成果在科學院的會議上作了報告。但是，大約只過了五六天，事情就出人意料地發生了變化。柏克勒爾正想重做以上的實驗時，連續幾天的陰雨天，太陽躲在厚厚的雲層里，怎么喊也喊不出來，他只好把包好的鈾鹽連同感光底片一起鎖在了抽屜里。 1896年3月1日，他試著沖洗和鈾鹽一起放過的底片，發現底片照常感光了。鈾鹽不經過太陽光的照射，也能使底片感光。善於留心實驗細節的柏克勒爾一下子抓住了問題的癥結。從此，他對自己在2月24日的報告，產生了懷疑，他決心一切推倒重來。 這次，他又增加了另外幾種螢光物質。實驗結果再度表明，鈾鹽使照相底片感光，與是否被陽光照射沒有直接的關係。柏克勒爾推測，感光必是鈾鹽自發地發出某種神秘射線造成的。 此後，柏克勒爾便把研究重心轉移到研究含鈾物質上面來了，他發現所有含鈾的物質都能夠發射出一種神秘的射線，他把這種射線叫做“鈾射線”。 3月2日，他在科學院的例會上報告了這一發現。他是含著喜悅的淚水向與會者報告這一切的。 後來經研究他又發現，鈾鹽所發出的射線，不光能夠使照相底片感光，還能夠使氣體發生電離，放電激發溫度變化。鈾以不同的化合物存在，對鈾發出的射線都沒有影響，只要化學元素鈾存在，就有放射性存在。柏克勒爾的發現，被稱作“柏克勒爾現象”，後來吸引了許多物理學家來研究這一現象。 因研究這一現象而獲得重大發現的是波蘭出生，後來移居法國的女物理學家居里夫人。她挺身而出，沖向研究鈾礦石的最前沿。沒有多久，皮埃爾·居里也加入了妻子的行列。他們不知吃了多少苦頭，才相繼提煉出釙、鐳等放射性元素，引起了全人類的高度重視。 居里夫人也因為這一卓越的研究工作，榮獲了1903年諾貝爾物理學獎，1911年諾貝爾化學獎也授予了她，她成了一生中兩次獲諾貝爾獎的少數科學家之一。 X射線的發現，把人類引進了一個完全陌生的微觀國度。X射線的發現，直接地揭開了原子的秘密，為人類深入到原子內部的科學研究，打破了堅冰，開通了航道。 黑洞的發現 當年人類就是通過測宇宙中的X射線，而肯定了黑洞的存在。
X射線的產生
X射線波長略大於0.5納米的被稱作軟X射線。波長短於0.1納米的叫做硬X射線。硬X射線與波長長的（低能量）伽馬射線範圍重疊，二者的區別在於輻射源，而不是波長：X射線光子產生於高能電子加速，伽馬射線則來源於原子核衰變。 產生X射線的最簡單方法是用加速後的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成X光光譜的連續部分，稱之為制動輻射。通過加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內層電子撞出。於是內層形成空穴，外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出波長在0.1納米左右的光子。由於外層電子躍遷放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長也集中在某些部分，形成了X光譜中的特徵線，此稱為特性輻射。 此外，高強度的X射線亦可由同步加速器或自由電子雷射產生。同步輻射光源，具有高強度、連續波長、光束準直、極小的光束截面積並具有時間脈波性與偏振性，因而成為科學研究最佳之X光光源。
