电磁波谱 X 射线

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简介

光以电磁波的形式穿过空间和不同的介质。电磁一词意味着它们包含电场和磁场。与其他波一样，光波也具有特定的频率和波长。

例如，频率在 400 到 800 THz 范围内的光波落在可见光区域，我们可以用肉眼看到它们。红色在约 600 nm 处具有最高的波长，因此频率最低，而紫光在可见光区域具有最高的频率。

在本教程中，我们将讨论电磁波谱中称为 X 射线的一个区域。在此之前，让我们快速回顾一下什么是电磁波谱。

什么是电磁波谱？

“谱”一词用于指代可以连续变化的一系列值，而不是离散的和数字的。例如，在水箱中，水位不是离散的。根据使用多少水，水位可以从 0 到 100 之间的任何值变化。

类似地，电磁波谱是电磁波可以具有的连续频率的谱或范围。它从低于 1 Hz 到高达 $\mathrm{10^{25}}$ Hz。这是一个巨大的范围，可以理解的是，电磁波的特性在这个频谱的不同部分差异很大。为了使电磁波的研究更容易，据说这个频谱被划分为不同的波段。一个波段中的频率具有某种相似的特性，因此，可以在不损失太多普遍性的情况下一起研究。

什么是 X 射线？

X 射线发现于 1895 年，是一种电磁辐射形式，其能量高达 123 keV。它们的频率介于 $\mathrm{30\times 10^{15}}$ Hz 到 $\mathrm{30\times 10^{18}}$ Hz 之间。这个能量范围足够高，可以使 X 射线能够穿透物质，这使得它们适用于各种应用。与普遍的误解相反，在一定限度内的 X 射线照射是足够安全的，因此，它们在医学上用于内部成像目的，例如检测骨折、癌症、肺炎等。

在早期，人们对 X 射线的危害并不十分了解，因此，科学家们过于自由地玩弄 X 射线，导致秃斑、烧伤，在更糟糕的情况下导致癌症。然而，从那时起，先进的研究使我们能够更好地理解 X 射线及其安全限度。如今，X 射线已成为我们医疗和科学过程中不可估量的一部分。

X 射线的产生

产生 X 射线最快的方法是通过电子轰击。在这种方法中，高能电子轰击金属靶。靶材通常由钨制成，但也使用铜和钼。

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图：1 X 射线的产生

wikiRadiography、X 射线阳极和阴极，CC BY-SA 4.0

该装置由一个真空管组成，在其中，电子通过高压电源加速。当它们落到金属靶上时，就会产生 X 射线。产生的 X 射线的能量，以及因此产生的频率，取决于入射电子的能量。

特性

高能量

X 射线的能量可以高达 160 keV。与您可能遇到的大多数其他辐射形式相比，这非常巨大。伽马射线是唯一能量大于 X 射线的辐射。

穿透射线

X 射线可以很容易地穿透大多数物质。如果长时间暴露在 X 射线下，这会使其成为一种危险。早期尝试研究其影响导致烧伤、水泡，在一个案例中甚至导致癌症。

电离射线

X 射线携带足够的能量，可以轻松电离与其相互作用的原子或分子。如果高剂量照射，这使其对活组织特别有害。同时，X 射线可用于癌症治疗。

用途

X 射线在医学和科学界有着巨大的应用。在这里，我们讨论其中的一些。

X 射线光谱学

由于其较短的波长，X 射线最适合晶体学研究。您会发现，X 射线从固体中的晶体反射，正是让我们能够研究和表征它们的方法很有趣。

医疗用途

X 射线是穿透性辐射，可以穿过大多数物体。然而，由于我们的骨密度和组织密度彼此之间存在显着差异，因此医生可以使用 X 射线图像来研究患者的骨折、癌症和肺炎。X 射线也可用于杀死癌细胞。

其他用途

这个天文学分支利用天体发出的 X 射线来研究它们。机场安检扫描仪使用 X 射线来检测安全威胁，边境巡逻队也是如此。

影响

X 射线由于其电离性质，对活组织有害。它会导致少量烧伤和水泡。但使 X 射线如此危险的是，它们会长期增加患癌症的风险。

您必须明白，X 射线不容忽视。如果处理不当，它们会造成严重的伤害。事实上，据估计，X 射线照射会使风险增加高达 3%。X 射线对胎儿和幼儿更危险，因此，医学上建议避免对儿童进行 X 射线和 CT 扫描。

胸部 CT 扫描使患者暴露的辐射量相当于他们大约 2-3 年内接受的辐射量。相反，简单的牙科扫描导致的暴露量相当于一个人 10 天内接受的辐射量。因此，应控制 X 射线的过度使用。

结论

谱是指某个量可以取的连续值范围。与数字步长不同，谱中的值不是离散的或量化的。因此，电磁波谱是指电磁波可以具有的频率范围。它从大约赫兹到高达 $\mathrm{10^{26}}$ Hz。

电磁波谱被划分为不同的波段，其中，在 30E15 和 30E18 Hz 之间的第二高能量波段落在 X 射线区域。此频率范围对应于高达 124 keV 的能量。X 射线发现于 1895 年。它们的特点是具有穿透性和电离性，因此对活组织有害。为了产生 X 射线，通过基于电压的加速对钨、钼或铜等合适的靶材进行电子轰击。

X 射线用途广泛，包括医疗应用，其中它们用于对骨折、肺炎和癌细胞进行成像。它们也用于晶体学，以定位晶体内的原子或检测杂质。除此之外，它们还在天文学和科学的其他领域得到应用。

常见问题

Q1. 尽管存在相关的危险，为什么 X 射线仍被用于医学？

答：在短时间内暴露于 X 射线带来的微小危险面前，X 射线成像的好处远远大于其带来的危险。无论如何，建议医疗专业人员不要无故开具 X 射线或 CT 扫描。

Q2. X 射线可见吗？

答：通常情况下，不可见。X 射线远超可见光区域。然而，当大量产生时，它们会在眼中产生微弱的蓝光。由于一个人在这种实验中暴露的量过高，因此没有对此机制进行研究。

Q3. 如何测量 X 射线照射？

答：在 SI 单位中，我们用库仑/千克 (C/kg) 来衡量照射量。它是产生 1 千克物质中 1 库仑电荷所需的辐射量。

Q4. 为什么 X 射线被称为“X 射线”？

答：首先发现 X 射线的威廉·康拉德·伦琴将其命名为 X 射线，因为它们以前是未知的。X 代表未知部分。

Q5. X 射线是否有正确的科学拼写？

答：存在 X-ray、x-ray 或 X-ray 等变体。最常见的是，人们更喜欢带连字符的变体，即“X-ray”。