第五节　X线的本质

X线可用两种表现形式来认识，即一是微粒辐射，二是电磁辐射。如果一个原子受到内在或外来的激励而分裂，射出电子、中子和质子，这些射出的粒子就成为不同的放射线，这种辐射称为微粒辐射。另一种为电磁辐射，又称为电磁波，它在电磁场中进行传播，有波长和频率，在真空中传播速度与光速相同（c=3×108m/s），此种辐射无静止质量。X线属于电磁辐射的一种，它和其他光线一样，具有二象性一微粒性和波动性，这就是X线的本质。

20世纪出现的量子理论，则把微粒性和波动性统一起来。在医学诊断X线中使用的X线的波长范围约为0.08～0.31×10-10m，其对应的量子能量约为10～200keV（千电子伏特）。由于量子能量相对来说比较大，用于控测X线影像的装置又很灵敏，使得X线微粒性在临床实践中表现很明显。所以，使用X线的量子能量比波长更有价值。

一、X线的微粒性

荧光屏上的某些化学物质（如钨酸钙、碘化铯等）经X线照射能发生荧光，X线能使气体或其他物质发生电离，被X线照射的某些金属物质失去负电荷能产生光电效应等现象，显然，只用X线的波动性是不能作出完善解释的。而用爱因斯坦的光子论，即把X线看作是一个个的微粒——光子组成的，这光子具有一定的能量（E=hv2）和一定的动质量（n=hv/C2），见表2-2，那么上述现象就可以得到满意的解释。

表2-2　几种波长的光子质量

光电效应可以这样解释：当X线照射某种金属元素时，X线的光子与金属原子中轨道上的电子碰撞，电子被击出，并得到能量E（E=hv），E就是被击出来的电子所在轨道上的结合能。X线激发荧光现象可以这样认识：X线光子使荧光物质的原子外层轨道电子产生跃迁现象。很明显，以上所说的X线光子，就相当于X线管中不碰撞阳极靶面的高速电子，这充分说明了X线具有微粒性。

二、X线的波动性

X线是一种波长很短的电磁波。1912年德国物理学家劳厄，首先用试验证明X线的干涉和衍射现象。说明X线具有波动的特有现象——波的干涉和衍射等。X线是以波动方式传播的，它是一种横波，在真空间其波速与光速相同。

X线的波长用希腊字母λ表示，频率用V来表示，C代表光速，三者的关系为：.

三、X线的二象性及其统一

X线与其他光线一样，在传播的时候表现了它的波动性，具有频率和波长，并有干涉、衍射、反射和折射等现象。但X线与物质作用时，表现出粒子物质，每个光子具有一定能量（动量和质量），它能产生光电效应，能激发荧光物质发出荧光等现象。波动性质和微粒性质相差很远，几乎是不能相容的矛盾的两种性质。波动学说成功地解释了X线的干涉、偏振等现象，却不能解释X线的光电效应现象。微粒学说成功地解释了X线的光电效应，却不能解释X线的干涉、衍射等现象。这充分说明X线具有微粒和波动二象性，X线的微粒性和波动性并存。

随着物理学的发展，二十世纪出现了量子力学。量子力学把光波（X线）看成是概率波，这就把光的本质二象性，即波动性和微粒性统一起来。这种波代表光子在空间里存在的概率，光既是微粒又是波动。例如在干涉和衍射一类现象中表现为波动性，在光电效应就表现为微粒性。现已证实，不仅X线有二象性，而且其他的基本粒子，如电子、质子、中子和分子同样具有二象性。

总之，对X线本质的认识应掌握以下基本观点：①在电磁波谱中，X线是介入紫外线和γ射之间的电磁波。X线和紫外线、γ射一样，光子能量大，能使物质电离，都属于电离辐射；②X线同时具有波动性和微粒性。前者的特征是具有波长和频率，后者的特征是具有能量、动量和质量；③二象性在表现时各有侧重：传播时主要表现为波动性，具有波长和频率；辐射和吸收时，主要表现为微粒性，具有能量、质量和动量；④二象性是统一的。按量子力学，X线可看作概率波，这种波代表光子在空间出现的概率。所以X线既具有波动性，又具有微粒性。