如果你曾经骨折过或者去过机场,那么你很有可能接触过x射线。这种辐射在高水平下可能是危险的,但在正确使用时有许多有用的应用。继续阅读以深入了解x射线的方面以及它们如何影响你的生活。
什么是x射线?完整解释
x射线是电磁谱的七个部分之一,覆盖了我们宇宙中能量波的整个范围。这部分位于谱的较短端,频率介于紫外线辐射和伽玛射线之间。x射线非常小,它们的波长可以达到一个原子的直径。
在研究电磁谱时,研究人员会使用三种度量标准之一:频率(赫兹或hz)、波长(米或m)或能量(电子伏特或ev)。研究人员通常使用哪种度量标准取决于哪种更容易写出。
由于x射线的极小尺寸,科学家通常根据它们的能量级别来定义它们。虽然对这种辐射的能量没有明确的定义,但它们通常在100ev至200kev之间。
x射线是一种穿透性的高能电磁辐射。
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x射线是在19世纪末意外发现的,它们通过加速原子中的电子而自然产生。这最明显地表现在像恒星和气体云这样的天体的撕裂中。虽然所产生的能量通常非常零散,但研究人员已经发现了在更集中的环境中加速电子的方法。
类似于伽玛射线,x射线的能量级别足以改变原子的组成。由于这种特性,暴露在高水平的x射线下可能导致疾病、身体伤害甚至死亡。为了防止这种辐射的危害影响,研究人员和专业人员使用铅等密集材料作为屏蔽。
虽然它们具有危险潜力,但x射线在透视物体方面特别有用。在安全使用时,这种辐射可用于成像大脑和身体。x射线摄影也用于检查航运集装箱和个人行李的内容。
x射线:确切定义
根据国家生物技术信息中心(national center for biotechnology information)的说法,“x射线属于电磁辐射组,因此它们遵循电磁辐射的规律。电磁辐射通过波和光子将能量,也称为辐射能量,通过空间传输,就像无线电波、可见光或微波一样。”
该政府机构继续对x射线的波长进行定义,波长“在0.01纳米到10纳米的范围内。这相当于100千电子伏特到100电子伏特的能量范围。”
澳大利亚辐射防护和核安全局(arpansa)支持这一信息,称x射线“起源于原子的电子云。这通常是由于电子的能量变化,电子从较高能级移动到较低能级,导致多余的能量释放出来。”
x射线来自哪里?
根据arpansa的解释,x射线来自原子内电子的加速。随着它们能量的增加,电子要么撞击其他物质,要么脱离原子轨道,或者完全飞离轨道。这使得原子变得不稳定,需要平衡,从而产生x射线能量。
在自然环境中,我们通常会看到这种情况在二进制天体系统中发生。这些系统由两个物体组成,一个比另一个更大。通常是黑洞或中子星这种庞大的天体利用其引力将合作伙伴实体撕裂。撕裂一颗恒星所需的巨大能量使电子迅速充能,发射高频辐射。
尽管这些天体产生了大量的x射线能量,但它们很少穿透地球的大气层。这是因为它们的光子非常小,当它们与氧气或氮气原子碰撞时,它们会与电子交换位置。由于这个过程被称为光电吸收,研究人员必须依靠气象气球和轨道卫星来研究辐射。
如何产生x射线?
与产生射线的核心沉降不同,x射线依赖整个原子的沉降。由于沉降过程的复杂性,相对于其高频率的伙伴,x射线更具挑战性。然而,这并不意味着不能正确控制。
在应用环境中产生x射线,研究人员使用电压降将电子加速到管中,并将它们直接对准目标。当电子或目标原子减速时,它们会在一个圆锥体中释放高频辐射。计算机断层扫描(ct)扫描仪使用这些管来绘制三维物体。
科学家还使用同步加速器产生x射线,同步加速器将电子加速到一个巨大的空心环中。这个环的大小大约相当于一个足球场,它有磁铁使电子在加速时被引导。同步加速器提供了将x射线能量集中成强大束流所需的空间,但仅用于研究目的。
谁发现了x射线?
早在1869年,研究人员在实验电子束时观察到从放电管中发出的未知辐射。然而,直到1895年,德国物理学家威廉·伦琴在使用各种放电设备进行实验时偶然发现了x射线的存在。
在研究电子束引起的荧光效应时,伦琴发现他实验室中的材料尽管没有光线也在闪烁。这种闪烁被认为是一种新型的能量射线,类似于紫外线和红外线。
伦琴暂时将该辐射命名为“x射线”,其中“x”代表未知事物的数学表示。在几张射线照片的证实之后,该辐射被重新命名为“伦琴射线”。
x射线的应用有哪些?
医疗应用
x射线成像可以对身体内部进行成像。
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虽然x射线具有高能量水平,但它们不能像γ射线一样穿透许多材料。在正确的保护下,这使得医学专业人员能够在不造成损害的情况下绘制人体。x射线成像的常见应用包括乳腺x线摄影、牙科和全身ct。
在特定情况下,肿瘤学家可以使用这种类型的辐射来杀死癌细胞。专业人员将x射线直接照射到目标细胞,剥夺其电子,从而削弱或销毁它们。然而,由于这种类型的辐射很难聚焦,它也可能对正常细胞造成损害。
工业
在金属工业中,研究人员使用x射线晶体学来确定密集材料的质量。该过程涉及通过测量高频波的衍射光束的角度和强度,以创建材料内部密度的图像。
在其他行业中,企业使用x射线成像来探测物体内部的组件。这在运输业中很常见,货运集装箱暴露在x射线下,以创建物体内部的图像。机场安全也使用这种方法检查可疑人员身上是否携带物品。
太空
由于大气层吸收这种能量频率,天文学家依靠气象气球和轨道望远镜来观测太空中的x射线。特别是,研究这种频率有助于我们理解天体物体与黑洞之间的关系。
x射线天文学带来的一项令人兴奋的观测是超大质量黑洞的动力学。这些物体比太阳密度高数百万倍,吸收落入其引力范围内的天体。
现实世界中的x射线示例
单帧x射线层析成像
作为x射线技术的最新发展之一,单帧x射线层析成像(sfxt)采用了类似计算机断层扫描的设计。该设备牺牲了视野和投影,换取更高的分辨率。
sfxt以每秒30帧的速度捕捉图像,并拼接出揭示多达100倍细节的方面。这项技术使研究人员能够研究身体部位在功能时的机械特性。
背散射技术
传统的x射线机会将辐射通过人体传输,而机场正在使用背散射机器来减少对有害波的暴露。背散射x射线成像检测从人体反射的辐射,需要较低功率的射线。这些机器被用于发现隐藏的物品,如武器、液体和其他违禁品。
查德拉x射线天文台
作为四个重要天文观测站之一,查德拉x射线天文台是最大的太空望远镜之一。查德拉于1999年发射,使用四台相机和光谱仪研究巨大的天体物体在相互作用时的情况。查德拉最重要的发现包括一种新型黑洞、一颗被大型黑洞吞噬的星系的阴影以及关于暗物质的证据。
x射线:进一步阅读
尽管x射线具有强大的能量,但它们帮助我们理解宇宙和内心的运作。这种电磁辐射形式构成了影响我们生活的光波的一部分。有关辐射能的应用的更多信息,请查阅以下文章。
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