電磁波譜 X 射線

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簡介

光以電磁波的形式穿過空間和不同的介質。電磁一詞意味著它們包含電場和磁場。與其他波一樣，光波也具有特定的頻率和波長。

例如，頻率在 400 到 800 THz 範圍內的光波落在可見光區域，我們可以用肉眼看到它們。紅色在約 600 nm 處具有最高的波長，因此頻率最低，而紫光在可見光區域具有最高的頻率。

在本教程中，我們將討論電磁波譜中稱為 X 射線的一個區域。在此之前，讓我們快速回顧一下什麼是電磁波譜。

什麼是電磁波譜？

“譜”一詞用於指代可以連續變化的一系列值，而不是離散的和數字的。例如，在水箱中，水位不是離散的。根據使用多少水，水位可以從 0 到 100 之間的任何值變化。

類似地，電磁波譜是電磁波可以具有的連續頻率的譜或範圍。它從低於 1 Hz 到高達 $\mathrm{10^{25}}$ Hz。這是一個巨大的範圍，可以理解的是，電磁波的特性在這個頻譜的不同部分差異很大。為了使電磁波的研究更容易，據說這個頻譜被劃分為不同的波段。一個波段中的頻率具有某種相似的特性，因此，可以在不損失太多普遍性的情況下一起研究。

什麼是 X 射線？

X 射線發現於 1895 年，是一種電磁輻射形式，其能量高達 123 keV。它們的頻率介於 $\mathrm{30\times 10^{15}}$ Hz 到 $\mathrm{30\times 10^{18}}$ Hz 之間。這個能量範圍足夠高，可以使 X 射線能夠穿透物質，這使得它們適用於各種應用。與普遍的誤解相反，在一定限度內的 X 射線照射是足夠安全的，因此，它們在醫學上用於內部成像目的，例如檢測骨折、癌症、肺炎等。

在早期，人們對 X 射線的危害並不十分了解，因此，科學家們過於自由地玩弄 X 射線，導致禿斑、燒傷，在更糟糕的情況下導致癌症。然而，從那時起，先進的研究使我們能夠更好地理解 X 射線及其安全限度。如今，X 射線已成為我們醫療和科學過程中不可估量的一部分。

X 射線的產生

產生 X 射線最快的方法是透過電子轟擊。在這種方法中，高能電子轟擊金屬靶。靶材通常由鎢製成，但也使用銅和鉬。

圖片即將推出

圖：1 X 射線的產生

wikiRadiography、X 射線陽極和陰極，CC BY-SA 4.0

該裝置由一個真空管組成，在其中，電子透過高壓電源加速。當它們落到金屬靶上時，就會產生 X 射線。產生的 X 射線的能量，以及因此產生的頻率，取決於入射電子的能量。

特性

高能量

X 射線的能量可以高達 160 keV。與您可能遇到的大多數其他輻射形式相比，這非常巨大。伽馬射線是唯一能量大於 X 射線的輻射。

穿透射線

X 射線可以很容易地穿透大多數物質。如果長時間暴露在 X 射線下，這會使其成為一種危險。早期嘗試研究其影響導致燒傷、水泡，在一個案例中甚至導致癌症。

電離射線

X 射線攜帶足夠的能量，可以輕鬆電離與其相互作用的原子或分子。如果高劑量照射，這使其對活組織特別有害。同時，X 射線可用於癌症治療。

用途

X 射線在醫學和科學界有著巨大的應用。在這裡，我們討論其中的一些。

X 射線光譜學

由於其較短的波長，X 射線最適合晶體學研究。您會發現，X 射線從固體中的晶體反射，正是讓我們能夠研究和表徵它們的方法很有趣。

醫療用途

X 射線是穿透性輻射，可以穿過大多數物體。然而，由於我們的骨密度和組織密度彼此之間存在顯著差異，因此醫生可以使用 X 射線影像來研究患者的骨折、癌症和肺炎。X 射線也可用於殺死癌細胞。

其他用途

這個天文學分支利用天體發出的 X 射線來研究它們。機場安檢掃描器使用 X 射線來檢測安全威脅，邊境巡邏隊也是如此。

影響

X 射線由於其電離性質，對活組織有害。它會導致少量燒傷和水泡。但使 X 射線如此危險的是，它們會長期增加患癌症的風險。

您必須明白，X 射線不容忽視。如果處理不當，它們會造成嚴重的傷害。事實上，據估計，X 射線照射會使風險增加高達 3%。X 射線對胎兒和幼兒更危險，因此，醫學上建議避免對兒童進行 X 射線和 CT 掃描。

胸部 CT 掃描使患者暴露的輻射量相當於他們大約 2-3 年內接受的輻射量。相反，簡單的牙科掃描導致的暴露量相當於一個人 10 天內接受的輻射量。因此，應控制 X 射線的過度使用。

結論

譜是指某個量可以取的連續值範圍。與數字步長不同，譜中的值不是離散的或量化的。因此，電磁波譜是指電磁波可以具有的頻率範圍。它從大約赫茲到高達 $\mathrm{10^{26}}$ Hz。

電磁波譜被劃分為不同的波段，其中，在 30E15 和 30E18 Hz 之間的第二高能量波段落在 X 射線區域。此頻率範圍對應於高達 124 keV 的能量。X 射線發現於 1895 年。它們的特點是具有穿透性和電離性，因此對活組織有害。為了產生 X 射線，透過基於電壓的加速對鎢、鉬或銅等合適的靶材進行電子轟擊。

X 射線用途廣泛，包括醫療應用，其中它們用於對骨折、肺炎和癌細胞進行成像。它們也用於晶體學，以定位晶體內的原子或檢測雜質。除此之外，它們還在天文學和科學的其他領域得到應用。

常見問題

Q1. 儘管存在相關的危險，為什麼 X 射線仍被用於醫學？

答：在短時間內暴露於 X 射線帶來的微小危險面前，X 射線成像的好處遠遠大於其帶來的危險。無論如何，建議醫療專業人員不要無故開具 X 射線或 CT 掃描。

Q2. X 射線可見嗎？

答：通常情況下，不可見。X 射線遠超可見光區域。然而，當大量產生時，它們會在眼中產生微弱的藍光。由於一個人在這種實驗中暴露的量過高，因此沒有對此機制進行研究。

Q3. 如何測量 X 射線照射？

答：在 SI 單位中，我們用庫侖/千克 (C/kg) 來衡量照射量。它是產生 1 千克物質中 1 庫侖電荷所需的輻射量。

Q4. 為什麼 X 射線被稱為“X 射線”？

答：首先發現 X 射線的威廉·康拉德·倫琴將其命名為 X 射線，因為它們以前是未知的。X 代表未知部分。

Q5. X 射線是否有正確的科學拼寫？

答：存在 X-ray、x-ray 或 X-ray 等變體。最常見的是，人們更喜歡帶連字元的變體，即“X-ray”。