X射线（X-ray）是由高速电子撞击物质的原子所产生的电磁波[1]。1895年11月8日，德国维尔茨堡大学物理所所长伦琴教授在进行真空阴极射线研究时发现了X射线[3]。X射线是一种频率极高、波长极短、能量很大的电磁波[4]，其波长为0.01nm~10nm[5]。通常把波长大于0.3nm的部分称为软X射线，而把波长小于0.3nm的部分称为硬X射线，X射线波长愈短其穿透材料的能力愈强[6]。X射线具有明显的粒子性[6]。在电磁波谱中与紫外线和γ射线相搭接[7]。

中文名

X射线

外文名

X-ray

别名

伦琴射线

应用学科

医学、材料学、航天学、电子学、化学、地质学等

应用领域

X射线扫描、X射线荧光分析、X射线摄影、X射线计算机断层成像、X射线衍射分析、X射线辐照、X射线透视等

首次观测时间

1895年11月8日

发现者

威廉·康拉德·伦琴

发现与发展

发现历程

X射线

1836年，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现，在稀薄气体中放电时会产生一种绚丽的辉光。后来，物理学家把这种辉光称为“阴极射线”，因为它是由阴极发出的射线。1858年波恩大学的普吕克教授发现金属电极之间产生真空放电现象时在阴极对面的管壁上出现了绿色荧光。1861年，英国科学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）发现通电的阴极射线管在放电时会产生亮光，于是就把它拍下来，但拍照后并没有发现任何东西，直到伦琴发现了X光，克鲁克斯才恍然大悟。1869年，普吕克学生希托夫发现物体放在真空中（真空度为十万分之一个大气压）的阴极和产生荧光的管壁之间，物体能产生清晰的影子。1891年，德国卡尔斯鲁厄大学教授赫兹，发现阴极射线可以穿过金属薄片（金箔、银箔、铝箔）。1895年11月8日晚上，德国物理学家伦琴教授在研究真空管中的高压放电现象时偶然发现放在阴极射线管附近密封好的底片被感光，说明存在一种不可见的穿透力很强的射线，可以穿透木块、玻璃甚至金属，当时对其知之甚少，因此命名为X射线，12月28日发表论文《一种新射线——初步报告》。1896年1月23日晚，在维尔茨堡大学物理研究所礼堂，伦琴教授举行了一次关于X射线发现及展示的公开报告会，随后发表第一篇论文。1896年3月伦琴教授发表了第二篇论文《论一种新的射线（续篇）》，1897年伦琴教授发表第三篇论述X射线性质的论文《关于X射线性质的进一步观察》，1901年伦琴教授获得诺贝尔物理学奖。

发展

1912年，德国物理学家劳厄证明了Ｘ光具有波的性质，证明X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线的干涉现象》，获得了1914年诺贝尔物理学奖；1914年，英国物理学家莫塞莱用布拉格X射线光谱仪研究了不同元素的X射线，发现了原子序数；瑞典物理学家卡尔.西格班设计的X射线管，可使曝光时间大大缩短，从而使测量精度提高，能够对X射线谱系作出精确的分析，因此，1924年获诺贝尔物理学奖；1949年由美国海军天文台弗里德曼领导的小组把盖革计数器放在V2火箭上发射升空，首次发现了来自太阳的X射线；1962年美国科学家贾科尼的研究组发现了第一个太阳系外的X射线源；1971年，豪斯菲尔德研制成功世界上第一台X射线计算机断层扫描机（Computerized Tomography，CT）在伦敦一家医院正式安装使用；1977年，桑格借助于X射线分析法与美国生物化学家吉尔伯特、伯格确定了胰岛素分子结构和DNA核苷酸顺序以及基因结构；1998年，美国科学家麦金农利用Ｘ射线晶体成像技术获得了世界第一张离子通道的高清晰度照片；2006年，科恩伯格使用X射线衍射技术结合放射自显影技术研究遗传信息最初复制到RNA中的过程，用X射线拍下各个阶段的复合体照片，揭示了真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质。从1901年获诺贝尔物理奖的伦琴开始，一个多世纪以来，因研究X射线技术、以及使用X射线进行研究、与X射线有关的研究而获得诺贝尔奖的已有多人，X射线在科技发展中占有的重要地位。与X射线相关的诺贝尔奖
年代获奖人获奖原由（与X射线关系）获奖类别
1901年伦琴发现X射线诺贝尔物理学奖
1914年劳厄X射线通过晶体时的衍射证明了晶体的原子点阵结构诺贝尔物理学奖
1915年布拉格父子用X射线研究晶体结构诺贝尔物理学奖
1917年巴克拉发现标识X射线诺贝尔物理学奖
1924年西格班X射线光谱学方面诺贝尔物理学奖
1927年康普顿与威尔逊发现X射线的粒子特性诺贝尔物理学奖
1936年德拜利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构诺贝尔化学奖
1946年谬勒发现X射线能人为地诱发遗传突变诺贝尔生理学·医学奖
1954年鲍林在化学键的研究以及用化学键的理论阐明复杂的物质结构（与X射线衍射研究密不可分）诺贝尔化学奖
1962年沃森、克里克、威尔金斯发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性（研究成果是在X射线衍射实验的基础上得到的）诺贝尔生理学·医学奖
1962年佩鲁茨和肯德鲁用X射线衍射分析法首次精确地测定了蛋白质晶体结构诺贝尔化学奖
1964年霍奇金运用X射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构诺贝尔化学奖
1969年哈塞尔与巴顿提出“构象分析”的原理和方法，并应用在有机化学研究（用X射线衍射分析法开展研究）诺贝尔化学奖
1973年威尔金森与费歇尔有机金属化学的研究诺贝尔化学奖
1976年利普斯科姆用低温X射线衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的结构及成键规律诺贝尔化学奖
1979年豪斯菲尔德和科马克X射线断层成像仪（CT）作出特殊贡献诺贝尔生理·医学奖
1980年桑格、吉尔伯特、伯格借助于X射线分析法确定了胰岛素分子结构和DNA核苷酸顺序以及基因结构诺贝尔化学奖
1981年凯·西格班在电子能谱学方面的开创性工作一半诺贝尔物理学奖
1982年克卢格测定生物物质的结构诺贝尔化学奖
1985年豪普特曼与卡尔勒发明晶体结构直接计算法诺贝尔化学奖
1988年戴森霍弗、胡伯尔、米歇尔用X射线晶体分析法确定了光合成中能量转换反应的反应中心复合物的立体结构诺贝尔化学奖
1997年斯科与博耶和沃克借助同步辐射装置的X射线，在人体细胞内离子传输酶方面的研究诺贝尔化学奖
2002年贾科尼发现宇宙X射线源分享诺贝尔物理学奖
2003年阿格雷和麦金农发现细胞膜水通道，以及对细胞膜离子通道结构和机理研究（用Ｘ射线晶体成像技术获得）诺贝尔化学奖
2006年科恩伯格真核转录的分子基础（利用X射线衍射技术结合放射自显影技术）诺贝尔化学奖
参考文献

产生、特点及性质

产生

X射线

X射线最早是在阴极射线管中发现的，为获得X射线制作了发生X射线的专用装置——X射线管，早期X射线管是一个真空度约10mm水银汞柱的二极管，由发射电子的灯丝作阴极和发射X射线的金属靶作阳极构成。目前，根据各种需要作出不同类型的X射线管。在X射线管的阴阳极之间加上几千伏电压，使金属靶受高速电子流轰击即可从靶极上发射X射线。X射线产生有3个基本条件：1.产生并发射自由电子。2.在真空中（一般为10mm汞柱）迫使自由电子朝一定方向加速运动。3.在高速电子流的运动路程设置障碍物（阳极靶），使高速运动的电子受阻而停止，靶面上就会发射X射线。

特点

由X射线管产生的X射线具有复杂的组成，在波长和强度上存在差异，从产生机理和射线的特点上，X射线通常分为连续X射线和特征X射线两种。按其波长和穿透力的不同又可分为两类：硬X射线和软X射线。连续X射线通称为白色X射线，它是由于在不同时间、不同条件下撞击阳极靶的自由电子具有不同能量产生的，具有不同的强度和波长，众多电子多次反复撞击的结果就形成连续谱。特征X射线谱也称标志谱，是高速运动的电子把X光管靶物质原子的内层电子击出后，其外层电子跃迁到内层空位时把多余能量以X射线的形式辐射出来而产生的。因其与靶物质原子密切相关，也称为标志X射线谱。

性质

物理性质

穿透作用：X射线的波长短但能量高，照在物质上时仅仅被少部分物质吸收，大多能穿过原子间隙，所以几乎可以穿透任何一种物质，但这种穿透力和 X 射线光子的能量以及 X 射线管阴阳极之间的电压有关，光子能量随着 X 射线的波长减小而增大，同时，X射线根据它对密度不同的物质穿透力不同可以分辨出密度不同的物质。散射、衍射、折射、反射现象：X射线穿过三维体或者光栅时会产生衍射现象，同时X 射线本身也有干涉、折射和反射现象。这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。热作用：物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高。电离作用：物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。 

化学性质

感光作用：X射线照射到某些化合物时，能使物质发生荧光，如硫化锌镉等，这样的荧光强弱随X射线量增大而加强。这样的荧光作用可制成荧光屏，呈现透视时X射线通过人体组织的影像。着色作用：X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水而改变颜色。

生物性质

X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞对X射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。但X射线同时会导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害问题。 

与物质相互作用

X射线照射到物质上与物质相互作用是个复杂的过程，从能量转换的观点看可归结为三个过程：散射能量；吸收能量；透过物质。吸收能量包括真吸收转换部分和光电效应、俄歇效应、正电子吸收等。透过物质继续沿原入射方向传播能量，包括波长改变和不改变部分。

散射

物质对X射线的散射主要是电子与X射线相互作用的结果，物质中的核外电子分为两类，即原子核束缚不紧的电子和原子核束缚较紧的电子，X射线照射到物质表面后对这两类电子会产生两种散射效应。相干散射（弹性散射）：当X射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时，光子把能量全部转给电子，电子受X射线电磁波的影响绕其平衡位置受迫振动，且振动频率与入射X射线相同，这个电子又变成一个新电磁波源向四周辐射电磁波，称为X射线散射波，这些散射波之间符合振动方向、频率相同，位相差恒定的光干涉条件，发生干涉，原来入射的光子随能量消失而消失。非相干散射（康普顿-吴有训效应）：当X射线光子与束缚力不大的外层电子或金属晶体自由电子相撞时，电子被撞离原运行方向同时带走光子一部分动能成为反冲电子。这种散射现象叫量子散射，由于量子散射波与入射波波长不同不能产生干涉效应，称为非相干散射。非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射，为衍射精度带来不利影响。

衍射

单色X射线入射到原子上时会被原子向四面八方散射，形成散射波，由于波程不同会产生相位差，把相互加强的波之间的作用称为相长干涉，相互抵消的波之间的作用称为相消干涉，与光在镜面的反射类似。X射线衍射是由大量量子参与的一种散射现象。X射线照射到晶体上晶体作为光栅产生衍射花样，衍射花样可以反映光学显微镜所看不到的晶体结构特征。

吸收

X射线照射到物体表面后一部分要被物质吸收，当X射线在均匀物质内部通过时，强度的衰减率与在物质内通过的距离成一定比例，比例系数称为线吸收系数，其与物质种类、密度、X射线波长有关。线吸收系数的物理意义是单位质量物质对X射线的衰减量，与物质原子序数和X射线波长有关，由此可进行生物体透视和工业生产产品探伤研究。

辐射

当自由电子通过某一介质时，其动能消耗于电离及物质原子的激发，能量转变成热，电子在原子核场中受阻，产生极致X辐射。电子在通过阳极物质时收到阻止而放出X辐射的光子，电子由阴极飞向阳极时获得动能，极致辐射中光子的最大能量应等于电子的动能。辐射在穿过物质时其强度减弱，辐射与物质发生相互作用，并将其一部分能量传给物质。

主要应用

在医学领域利用X射线的穿透性和人体组织的吸收差异，可以进行影像诊断和放射治疗。X射线的穿透能力极强，由于人体不同的组织对X射线的吸收程度不同，均匀的X线束穿透人体组织后，其不均匀的分布其实就是人体组织的投影，就可以得到病灶的位置信息，如X光照片。X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，如治疗肿瘤的X刀。在应用X射线的同时，需要注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。在材料科学领域可以利用X射线衍射分析材料的晶体结构、相组成、应力状态等。主要分为X射线晶体学和X射线光谱学，X射线晶体学是根据X射线照射晶体后所产生的衍射线方向和强度确定晶体结构，可以通过晶体中原子排列检测物质性质和结构，用以进行物相分析、固溶体分析、晶粒大小测定、应力测定、晶体取向测定等。X射线光谱可以研究物质的原子构造，如电子能级分布、电子云状态等，通过研究物质发射的X射线波长可以确定物质的元素、成分。在物理学领域可以利用X射线的散射、吸收、荧光等特性，研究物质的原子和分子结构、电子态密度、化学键等。在生物学领域利用X射线的衍射和散射，可以解析生物大分子如蛋白质和DNA的三维结构。X射线探伤和工业X射线计算机断层扫描(X-CT)成像技术还可以用于科技考古和文物保护研究领域。

危害与防护

危害

X射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射使其强度减弱。强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿透的厚度。X射线的穿透能力取决于X射线管的容量，即X射线管的电压，管电压越高，X射线越硬，能量越大，穿透能力就越强，穿透能力与管电压平方成正比，同时对人体的危害也越大。X射线在穿透人体时，会对人体产生轻度危害，引起人体生物大分子及水分子的电离和激发，过量的照射X射线后会影响生理机能，造成染色体异常，对人体生殖、神经和免疫三大系统造成直接伤害，是心血管疾病、糖尿病、癌突变的主要诱因和造成孕妇流产、畸胎等病变的诱发因素，并直接影响未成年人身体组织和骨骼发育，引起视力、记忆力下降。人体过量接受X射线照射会引起局部组织损伤、坏死或带来其他隐患，影响程度取决于X射线的强度、波长和人体的接受部位。根据国际放射协会规定，健康人的安全剂量为每工作周不超过0.77X10C/kg。X射线辐射对人的效应有两个显著的特点：很低的吸收能量可以造成很严重的伤害；短时间的作用可以造成非常长久的影响。辐射剂量的常用单位有：吸收剂量、当量剂量和有效剂量。吸收剂量是单位质量受照物质所吸收的平均电离辐射能量，单位是J/kg，专门名词是戈瑞（Gray），符号“Gy”，1Gy = 1J/kg，这个单位很大，在实际应用时往往用其千分之一或百万分之一作单位，即mGy 、μGy，甚至更小nGy。吸收剂量适用于任何类型的辐射和受照物质。当量剂量是为了用同一尺度表示不同类型和能量的电离辐射对人体造成的生物效应的严重程度或发生几率的大小。这是一个考虑了辐射权重因子的量。当量剂量的单位也是J/kg。为了同吸收剂量单位区别，当量剂量单位叫希沃特(Sievert)，简称“希”，符号是“Sv”。实际应用中往往用mSv 、μSv、nSv。有效剂量是为了计算辐射给受到照射的有关器官和组织带来的总危险，在辐射防护中引入了组织权重因子概念，有效剂量是一个既考虑了射线种类也考虑了器官组织权重因子的量。有效剂量单位也是希沃特(Sievert)，简称“希”，符号是“Sv”。医疗照射是人类接收人工辐射照射的主要来源。如接受一次胸部X射线透视所受的有效剂量平均为1.1mSv，接受一次全身CT的有效剂量甚至可达8mSv。可致人死亡的照射是急性全身均匀6Gy的剂量。所以一般医疗照射对人体的影响很小。

防护

到目前为止，一般选用铅作为X射线的防护材料，也可使用混凝土、铁等。使用非铅材料防护时，一般需要计算铅当量，铅当量是与该防护材料在空气中同等地减弱剂量强度，以毫米为单位的铅厚度。在应用X射线的场合需要创造工作条件，使作用于工作人员身上的剂量不超过最大容许值；进行累计剂量检查或工作人员所受辐射剂量强度检查；检查防护物等。根据GB 18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》，辐射防护剂量限值体系对职业照射和公众照射有明确的剂量限值要求。对于职业照射：连续5年内的平均有效剂量为20mSv； 连续5年中任何一个单一年份中的年有效剂量50mSv，但5年内有效剂量总合不超过100mSv；眼晶体的年当量剂量150mSv；四肢（手、足）或皮肤的年当量剂量500mSv。对于公众照射：年有效剂量为1mSv；特殊情况下，连续5年的年平均有效剂量不超过1mSv，其中某一个单一年份中的年有效剂量可为5mSv；眼晶体的年当量剂量 15mSv；四肢（手、足）或皮肤的年当量剂量50mSv。