水煮物理之X射线自传

热爱未知，而不是无知。爱渗透，也爱相干衍射。喜欢彩色的斑点和更多彩色的底片。不是微波，不是可见光，不是粒子流，我是x先生。我不强壮，我强壮。我和x战警不同。我和你一样。请叫我x光。哦，是的！X，X代表未知数，因为X=？它意味着一个方程有无限的未知解。代表神秘的X，是一群具有强大而特殊功能的变异人，如钻石刀、风暴眼和阴影移动。x战警潜伏在正常人身边。我是潜伏在大自然中的X。我在哪里，清晰的视野就在那里。你看不见我，但我能看穿你。甚至，你可以轻易地穿过你的身体而不被察觉。我是神秘的x光。

我的家庭叫电磁波。我们通过电磁场相互作用感应来传输能量。即使在没有任何东西的真空中，我们也能以光速*旅行。你看不见我，因为我的波长比我看得见的兄弟们短得多。它们的(可见光)波长通常在0.4到0.7微米之间(1微米= 1/1000米)，而我的(x光)波长在0.01到1纳米之间(1纳米= 1/1000米)。如果波长是0.1~1纳米，请叫我软x射线。如果波长在0.01纳米到0.1纳米之间，请叫我硬x光。如果波长小于0.01纳米，那么我就是超硬x光；如果波长较短，那是我弟弟的伽马射线(来自核衰变)，而哥哥的紫外线在波长的另一端。我们都属于辐射，但我是特别的。我的特别之处在于我的波长很短，所以我可以看到原子是如何排列和结合的。我的特别之处在于我的能量也很高，所以我有很强的穿透力，黑纸、木头和布都不能阻止我前进。幸运的是，我的能量不是特别高。我可以“看穿”有机生物而不伤害它们。虽然我暴露太久后容易得癌症，但我也能杀死恶性肿瘤和治疗癌症。我是一把双刃剑。我出生在原子的内层。内层电子跃迁释放的能量是射线形式的I，即高能量、短波长的I。我不是带电的，我是波，我可以衍射或干涉，我是纯辐射。

我已经在宇宙中生活了很多年，但是我只被人类认识了一百多年。克鲁克斯、赫兹、特斯拉、爱迪生、劳埃、伦琴和其他物理学家研究过我。起初，赫托夫看到我在真空管阴极的玻璃管壁上发荧光，加上电压，所以人们叫我“阴极射线”(实际上，我走的是中性路线，喜欢女性气质的人是电子，而不是我)。克鲁克斯发明了带有高压电极的玻璃真空管，还看到了我接触过的摄影底片。不幸的是，他对我不感兴趣，也没有继续他的研究。当特斯拉看到我的连续体时，他正在摆弄克鲁克斯管，高速电子被目标电极阻挡，产生连续辐射，也称为轫致辐射。令人讨厌的是，他忘了给我起个名字，并提醒人们我对人体有害。赫兹还发现，在实验中我能够通过金属箔来验证电磁波的存在，但他更喜欢称我们为电磁波。终于在1895年，我的时代到来了。威廉？康拉德。伦琴，我的发现者和同名者，在一个安静的周五晚上无私地工作。他惊讶地发现，所谓的“阴极射线”可以使涂有氰铂酸钡的屏幕发光，而包裹得紧紧的照相底片也被射线穿透而曝光。这种强大的穿透能力甚至不是面对15毫米厚的铝板，只有铅板和铂板可以阻挡它。伦琴的妻子安娜？伦琴看到她丈夫还在工作到深夜，就来看他。伦琴对他的妻子施了魔法。他让安娜拿起底片，用这种未知的光线拍下了第一张人体照片。底片上显现的是你手掌上的骨头和象征他们爱情的结婚戒指。这意味着不用解剖就能清楚地看到人体的内部结构。从那以后，医生们增加了一副强力眼镜，通过皮肤和骨骼来观察身体是否有任何病变。伦琴兴奋地将这种“未知”射线命名为“x光”，因为x光代表未知。从那时起，我有了一个名字。我的名字意思是“未知”。1895年12月，伦琴在《物理医学学会》杂志上发表了他的第一篇关于x光的论文。从那以后，它引发了一波关于x光的科学研究，仅在一年内就发表了1000多篇关于x光研究的论文。其中之一，贝克雷尔，发现了更多的射线。我的兄弟阿尔法、伽马和贝塔一个接一个地为人所知。居里夫人和她的丈夫从自然界提取镭和钋，发现了天然放射性。在此基础上，卢瑟福用加速粒子轰击原子，发现了原子的内部结构，并为人们用新思想研究微观世界打开了大门。这些人，都是诺贝尔奖获得者，是当之无愧的*物理学家。我的发现者伦琴是第一个诺贝尔物理学奖(1901)。他有些人非常低调，有些人不得不称我为“伦琴射线”，有些人不得不支付高价购买x光技术用于医疗应用(x光发现后仅四天，美国医生就用它来寻找病人腿上的子弹)。然而，伦琴淡淡地笑了笑:“我的发现属于全人类。伦琴拒绝了巴伐利亚上议院授予他的贵族头衔，并全额捐赠了诺贝尔奖。他没有申请x光专利。爱迪生被这深深感动了。他的发明工厂与x光接收系统合作，发明了一种优秀的荧光屏，使x光技术更便宜、更方便。爱迪生也没有为这项发明申请专利。此外，根据我的发现，伦琴还有许多重要的物理研究工作，如带电电容器中介质运动的磁效应、气体的比热容、晶体的热导率、热电和压电现象、气体中光的偏振面的旋转、光和电的关系、物质的弹性、毛细现象等。1923年2月10日，伦琴在慕尼黑去世，给全人类留下了无尽的财富。

让我成为你并不难。你需要一个真空密封玻璃管，一端是灯丝阳极，另一端是由扁平金属制成的阴极。当两端都施加高电压时，高速电子将撞击金属板靶。电子的能量很高，足以击倒金属中的电子，并在原子的内轨道上留下空穴。当外层的电子跳回到内层来填充空穴时，即X射线本身，它们会发出辐射。当高速电子撞击金属靶时，它们会产生热量，因此金属靶的一端需要用水冷却。早期的x光管体积庞大，容易破裂。现代的x光管已经缩小到圆珠笔的长度。当入射电子能量较低时，可以产生连续光谱的X射线辐射，即与目标无光的轫致辐射，而由不同内层的电子跃迁产生的离散辐射光谱在连续光谱背景上重叠，形成特征辐射，即X射线识别光谱。每个元素都有一个独特的电子配置模式，所以它也有一套独特的x光识别光谱。包含在目标中的元素的信息可以通过测量目标的识别光谱来获得。现代x光仪器中的光源得到了很大的改进，其功率也大大增加了。根据麦克斯韦方程，如果*电子高速改变它们的运动方向，它们将同时辐射电磁波。在同步加速器上发现的这种辐射叫做同步加速器辐射。同步辐射光源具有强度高、连续性好、光束准直性好、正小光束截面、时间脉冲和偏振等优点。它是目前光谱研究的最佳光源之一。x射线也属于这种光源的小波长范围。中国还在上海建立了世界级的同步辐射光源——上海光源。目前，一些束线站已经投入使用。

自从我被人类发现以来，我受到了很多关注。然而，我的用途不仅限于拍摄“透视”x光片。真正继承我的功能的科学家是劳厄和布拉格父子。德国科学家劳埃曾就读于胡斯特的几所大学，包括拉斯堡大学、格丁根大学、慕尼黑大学和柏林大学，并听过希尔伯特和普朗克等大师的课程。在慕尼黑大学，劳厄和索末菲德的学生进行了x光研究。因为x光可以用来拍摄木头上的钉子或者手掌上的骨头，所以许多科学家认为我属于一种特殊的光，也就是一种波。然而，为了证明我的易变性，我必须具有衍射和干涉性质。因为我的波长只有可见光的千分之一，所以不可能手工制作这种尺寸的光栅。聪明的劳厄意识到晶体中的原子在自然界中是规则排列的。如果晶体中原子间的间隙合适，它们可以用作x光光栅。仅仅因为晶体中有许多层原子，这相当于许多层光栅的叠加，这将使衍射图案非常复杂。尽管这个想法遭到了老板索末菲的嘲笑，劳厄和他的同事们还是在1912年成功地进行了这项实验。他们在X射线源和照相底片之间放置了一个平行的硫化锌薄片，该薄片垂直于晶体轴切割，实际上在照相底片上发现了规则排列的衍射斑点。这个伟大的发现证实了我的易变性，并提供了一个更强大的实验工具——使用固定波长的X射线来探测晶体内部的原子排列，人们可以从中“看到”晶体中的原子排列。然而，从复杂的衍射斑点推断晶体内部结构并不容易。亨利。布拉格(父亲)和劳伦斯？布拉格(son)对此做了数学推导，他们发现如果有序原子层用作光栅，入射和反射原子层之间的光程差将直接与原子层的间距有关。当光程差是入射波的整数倍时，发射的光不会由于干涉而消光，从而形成衍射点。基于此，他们推导出布拉格方程2dsinθ=nλ。利用这样一个简单的数学模型工具，布拉格和他的儿子从现有的晶体结构模型氯化钠，面心立方网格离子晶体完美地解释了X射线衍射斑点的分布。在氯化钠晶体中，每个钠离子被六个等距的氯离子包围，每个氯离子被六个等距的钠离子包围，并且没有单独的氯化钠“分子”。这一发现震惊了理论化学界，并立即引起人们思考岩盐在溶液中的行为。然后他们发现钻石的结构是一个正四面体的碳原子。进一步的实验证实晶体的X射线衍射图和晶体中原子的空间排列是相互傅里叶变换关系。劳厄和布拉格父子对x射线的研究催生了一种新技术——x射线衍射技术，它使材料内部的原子排列不再神秘——所有材料都可以在我的强烈照射下“看穿”。1915年，劳厄、老布拉格和小布拉格一起站在诺贝尔物理学奖的领奖台上分享这一殊荣。

完成我的历史故事后，是时候告诉我我的强大能力是什么了。

能力1:晶体结构分析。我的波长在0.01到1纳米之间，这正好等于固体中原子的大小和间距。我的波长和电子的波长一样。不同的是，电子有一个稳定的质量，而我没有。当我遇到固体材料时，里面的大量电子会把我驱散。每个原子中电子的叠加相当于原子对我的散射，而每层中规则排列的原子散射的叠加相当于原子对我的反射。根据布拉格方程，对于特定波长的入射光，只有特定角度的特定出射光，这对应于不同的特征原子层间距。通过标记这些原子层，可以推断出晶体中可能的原子排列。对于单晶材料(固体内部原子在三维空间中具有相同的周期性规则长程有序排列，即整个三维空间晶格是一组空间晶格)，我可以在负片上留下规则的衍射斑点，原子的排列方式可以通过傅里叶变换得到。通过改变不同的入射和出射方向，可以知道晶体中原子的三维排列。对于多晶材料(由许多不同取向的小单晶组成)，可以测量不同衍射角下的发射峰，并可以推断它们属于哪个原子层。不同的材料会有自己独特的衍射峰分布。如果建立一套多晶衍射数据库，其中包含各种晶体结构的标准衍射数据，则晶体中的原子排列结构可以很容易地通过检查来推断。这个衍射数据库现在被称为“粉末X射线衍射卡库”(PCPDF软件)，是材料科学研究中最重要的数据库之一。例如，通过x光衍射清楚地研究了DNA的复杂双螺旋结构。

能力2:元素分析。x光管中的目标物质可以发出一系列与目标物质相关的特征光谱——x光识别光谱。不同的元素有自己独特的核外电子构型，因此会有一系列独特的x光识别光谱。如果将待研究的材料用作目标，它可以被高能电子轰击以获得多组识别光谱，并且可以通过标记这些谱线来分析材料中包含的元素成分。材料中元素的原子比可以通过分析光谱重量(即特征谱线的面积)粗略地获得。同样，我们也可以分析离子晶体中离子的化合价。通过一系列的分析，我们可以得到新材料的元素组成和原子排列，并从微观层面检测材料的性质。

能力3:观察有机物的动态过程。对于长程有序晶体材料，X射线可以产生离散的衍射斑点，而对于短程有序有机生物大分子，X射线可以产生一些规则分布的衍射斑点。当外部条件如温度、电场、磁场和其他环境发生变化时，一些生物大分子会形成不同的排列，通过观察它们的X射线衍射斑点可以知道这些过程是如何发生的。能力4:研究固体材料的微观动力学。如果发射的X射线和入射的X射线的能量有变化，这意味着X射线吸收或损失了材料中的一些能量。丢失的X射线的能量尺度正好等于固体材料中这些作用力的能量，例如原子-原子相互作用、原子-电子相互作用和电子-电子相互作用。因此，通过测量不同能量损失的X射线分布，可以了解材料的微观动力学过程。这些研究将促进对材料的力、热、光、电磁和其他性质的物理机制的理解。

能力5:生物视角和人类视角。由于我的能量很强，我可以很容易地穿透一些物质，这些物质可以无损地探测生物的内部结构。如研究动物骨骼的分布，检测植物的生长等。医学应用是医学成像。x光照射的底片可以显示身体的病理变化和胎儿在母亲体内的位置。在计算机的帮助下，来自不同角度的x光图像也可以组合成三维图像，这就是所谓的计算机断层扫描。机场和其他地方的安检站实际上是一台x光机。毕竟，x光是一种高能辐射。长期高剂量辐射会影响人体健康。因此，在英美流行的全身安全扫描仪实际上是太赫兹射线扫描仪。它能清楚地看到你身上高密度的地方，以及一些金属材料，如枪、弹药、刀等。无处可藏。x光透视也可用于工业探伤，即检测内部是否有加工缺陷，而不损坏加工零件。然而，对于金属零件，需要更高能量的伽马射线。

能力6:考古和宇宙学研究。x光也可以用于考古。它可以扫描木乃伊的形状而不破坏棺材，它还可以研究油画的创作过程。从卡拉瓦乔17世纪代表作《牧羊人崇拜》的x光照片可以看出，作者在绘画过程中所做的任何改变。我们的宇宙起源于135亿年前的一次“大爆炸”，宇宙中许多强烈的天文现象都发射出X射线。图为美国宇航局“爱因斯坦”望远镜拍摄的x光照片。x射线望远镜可以看到恒星是如何被黑洞、星系间的碰撞、超新星和中子星的诞生撕碎的。此外，x光也有许多应用，这里就不介绍了。

在结束我的自传之前，我想和你分享一些人们拍摄的“x光艺术照片”。需要声明的是，这些不是真正的x光片，而是由艺术创作的虚构照片，所以请不要把它们看得太重。在这些“棒极了”的艺术照片中:Linux企鹅有一副像人一样的骨架，米老鼠有她的大耳朵，卡通“外星人”其实是一个小脑壳，键盘是复杂的电子元件，高跟鞋是严重畸形的高跟鞋，写字楼里到处都是忙碌的人，洗澡的女人和抽烟的男人都“暴露”，性感的女模特只是一对“白”，而多彩的x光人体艺术则是一个丰富展示“内心”的女模特。这些艺术照片告诉我们，透过浮华的表面看普通的内部，展示了另一个全新的世界。