硬X射线

**X 射線**（英語：X-ray），又稱 **X 光**、**愛克斯射線**、**愛克斯光**，也稱作**倫琴射線**或**倫琴光**（Röntgen radiation），清朝時曾稱**照骨術**，是一種波長範圍在 0.01 奈米到 10 奈米之間（對應頻率範圍 30 PHz 到 30EHz）的電磁輻射形式。X 射線最初用於醫學成像診斷和 X 射線晶體學。X 射線也是游離輻射等這一類對人體有危害的射線。

X 射線波長範圍在較短處與伽馬射線較長處重疊。

## 歷史

早期 X 射線重要的研究者有伊凡・普魯伊教授、威廉・克魯克斯爵士、約翰・威廉・希托夫、歐根・戈爾德斯坦、海因里希・赫茲、菲利普・萊納德、亥姆霍茲、尼古拉・特斯拉、愛迪生、查爾斯・巴克拉、馬克思・馮・勞厄、瑪麗・居禮、皮耶・居禮和威廉・倫琴。

1869 年物理學家約翰・威廉・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 年這種射線被歐根・戈爾德斯坦命名為「陰極射線」。隨後，英國物理學家克魯克斯研究稀有氣體裡的能量釋放，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 射線。他發明了單電極 X 射線管，在其中電子穿過物質，發生了現在叫做軔致輻射的效應，生成高能 X 射線。1892 年特斯拉完成了這些實驗，但是他並沒有使用 X 射線這個名字，而只是籠統地稱為放射能。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，但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的 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，但是這一名稱直至今日仍然被廣泛使用，尤其在德語國家。1901 年倫琴獲得第一屆諾貝爾物理學獎。

1895 年愛迪生研究了材料在 X 射線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 射線的檢驗。然而 1903 年愛迪生終止了自己對 X 射線的研究，因為他公司的一名玻璃工人喜歡將 X 射線管放在手上檢驗，最後得了癌症，儘管進行了截肢手術仍然沒能挽回生命。巴克拉發現 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 射線雷射器被設置為隆納・雷根總統的戰略主動防禦計劃的一部分。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，整體的計劃（包括 X 射線雷射器）被擱置了（然而該計劃後來又被重新啟動 —— 使用了不同的技術，並作為布希總統國家飛彈防禦計劃的一部分）。

在 20 世紀 90 年代，哈佛大學建立了錢德拉 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。

## X 射線的產生

波長短於 0.2-0.1nm 的叫做硬 X 射線，波長略大者被稱作軟 X 射線。硬 X 射線與伽馬射線中波長較長的部分有重疊範圍，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 射線光譜的連續部分，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 奈米左右的光子。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 射線譜中的特徵線，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 射線光源。

## 探測器

X 射線的探測可基於多種方法。最普通的一種方法叫做照相底板法，這種方法在醫院里經常使用。將一片照相底片放置於人體後方，X 射線穿過人體內軟組織（皮膚及器官）後會照射到底片，令這些部位於底片經顯影後保留黑色；X 射線無法穿過人體內的硬組織，如骨或其他被注射含鋇或碘的物質，底片於顯影後會顯示成白色。光激影像板（image plate）因容易數位化，在少部分醫院已取代傳統底片。另一方法是利用 X 射線照射在特定材質上以產生螢光，例如碘化鈉（NaI）。科學研究上，除了使用 X 射線 CCD，也利用 X 射線游離氣體的特性，使用氣體游離腔做為 X 射線強度之偵測。這些方法只能顯示出 X 射線的光子密度，但無法顯示出 X 射線的光子能量。X 射線光子的能量通常以晶體使 X 射線繞射再依布拉格定律計算出。

## X 射線衍射

在晶體學研究上，勞厄發現了 X 射線通過晶體之後產生的衍射現象，即 X 射線衍射。布拉格則使用布拉格定律對衍射關係進行了定量的描述。

## 醫學用途

倫琴發現 X 射線後僅僅幾個月時間內，它就被應用於醫學影像。1896 年 2 月，蘇格蘭醫生約翰・麥金泰爾在格拉斯哥皇家醫院設立了世界上第一個放射科。

放射醫學是醫學的一個專門領域，它使用放射線照相術和其他技術產生診斷圖像。的確，這可能是 X 射線技術應用最廣泛的地方。X 射線的用途主要是探測骨骼的病變，但對於探測軟組織的病變也相當有用。常見的例子有胸腔 X 射線，用來診斷肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺氣腫；而腹腔 X 射線則用來檢測腸道梗塞，自由氣體（free air，由於內臟穿孔）及自由液體（free fluid）。某些情況下，使用 X 射線診斷還存在爭議，例如結石（對 X 射線幾乎沒有阻擋效應）或腎結石（一般可見，但並不總是可見）。

藉助計算機，人們可以把不同角度的 X 射線影像合成成三維圖像，在醫學上常用的電腦斷層掃描（CT 掃描）就是基於這一原理。

X 射線穿透能力與其頻率有關，利用其容易被高原子序數材料吸收的特點，防護上一般可用 2-3mm 左右的鉛板加以屏蔽。

美國艾伯特.C. 蓋瑟曾利用 X 射線製造出美容除毛機並建立崔可公司，但因為輻射使他罹患癌症，最後為避免癌症擴散，他切除了右手，而 X 射線的美容除毛機也導致數百萬名婦女出現皺紋、色斑、感染、潰瘍，甚至皮膚癌等症狀。

## 參考文獻

## 參見

* X 射線天文學
* X 射線光學
* X 射線吸收光譜
* X 射線機
* 蓋革計數器
* N 射線

## 外部連結

* Historical X-ray tubes （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Example Radiograph: Fractured Humerus （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）