X射线的产生、光电效应及其康普顿效应

X射线在医学上有着极为广泛的应用，通过影像学基础知识的学习或者说科普知识的了解，我们大致知道其中的一些原理，然而可能仍然是一种是事而非印象。近来饶有兴趣地学习原子物理学，对于其中的深层次的东西有所体会，写此文会对大家更深层次地去认识医学影像学和放射肿瘤学较有帮助。

1895年伦琴发现X射线，随后藉此获得第一届的诺贝尔物理学奖，此发现开始了近代物理学的新时期，关于伦琴发现X线的过程不赘述。简单说X射线产生的原理就是高速运动的电子突然受到物体的阻滞而产生的。加速（或减速）带电粒子能辐射出电磁波，这是经典电磁波的理论，因此当高速运动的电子在靶上突然受到阻滞时，就会产生电磁波，即X射线。实际应用中的X线发生器就是用高速电子流撞击钨靶而产生的。

这其中有两个理论我们要搞清楚:

(1) 经典电磁波理论与韧致辐射：经典的电磁波理论里面认为“加速（或减速）带电粒子能辐射出电磁波”。我们如何去理解这个现象？通过中学的物理知识我们知道麦克斯韦的电磁学理论认为电场能够产生磁场，磁场也能够产生电场。我们是否就可以认为这是电场产生磁场的一种方式？我个人认为这个理解肯定是不全面的。由于还没有去学习电磁学的相关知识，暂时是我的一个疑问。当带电粒子与原子（或原子核）相碰撞，发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射称为韧致辐射(相反的，带电粒子加速运动时同样可以产生辐射，称为同步辐射，这种射线由于其独特性能也有着广泛的应用)，其强度反比于入射带电粒子质量平方，正比于靶物质核电荷的平方（为什么会这样？从核库仑力方面去理解）。由于这种骤然减速是在靶物质核库仑力作用下连续变化的，因此这种X线谱也是一种连续谱。医学、工业等方面应用的主要也就是这部分连续谱。

电子与靶物质碰撞时，除了产生辐射，还会发生弹性碰撞，这两种作用方式都会损失能量，碰撞就产生热量，二者之比为：碰撞损失/辐射损失=800Mev/T*Z。其中T代表的是电子的动能，Z代表的是靶物质的原子序数。因此我们显而易见地就明白了为什么会选择原子序数大的钨靶作为靶物质。

（2）X射线的本质：可能很多人至今仍然不了解X射线本质。X射线是核外电子产生的一种短波电磁辐射，波长一般在0.001nm到1nm。我就把它理解成是一种光（光也是电磁波的一种）。我们认识这个世界感到困惑的原因往往在于无法把一些常识性的东西联系起来。比如说我们如何去认识光？我们所肉眼能见的可见光其实是一种电磁波，它在电磁波谱上只占据非常狭小的一段。我们纵观整个电磁波谱，从长波长端（对应低频）看起，依次是：无线电射频、无线电广播、雷达波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。由此可见X射线和我们所肉眼能见的可见光性质是一样的。（为什么无线电使用的是较长波长的波？高中物理就学过）

光的波粒二象性

当在学习原子物理学时，我发觉越来越绕不开的就是如何去认识光的本质。在这里最重要的理论莫过于光的波粒二象性。关于光的本质在物理学史上争论了几百年，粒子论和波动论各自其说。感兴趣的可以自己查阅相关资料。光的波动性可以通过衍射、干涉、偏振等试验证实，不赘述。然而光的粒子性与原子物理学却密切相关。这里我认为最具有划时代意义的是普朗克的能量量子化假说，他的著名E=hv的公式设想能量是一种量子化地度量，即他认为能量是一份一份地整数倍传导的，意含一种不连续性。爱因斯坦把这个量子化的概念引入到光的本质的认识中去，提出光量子的概念，光子的能量E=hv。这里就不得不提他发现的光电效应。

光电效应

光电效应就是指光子与原子核的内层电子作用，将自己的全部能量传递给电子，使得电

子获得能量逸出原子，形成自由电子，由于内层电子逸出，轨道出现空穴，原子处于很不稳定的激发态，因此外层电子会跃迁回来（高能到低能），在这个过程中能量就会以特征辐射或者俄歇电子的形式释放出。光电效应并非爱因斯坦首先发现，然而却是他用光量子学说给予了圆满的解释，并因此获得诺贝尔奖。当我在中学学习物理学时，我就奇怪光照射物体时为什么会释放出电子呢？我用一手电筒照射桌子也不大可能有电子逸出啊？通过爱因斯坦的光量子学说我才知道，并非所有的光能够发生光电效应，对于一特地物质，产生光电效应有一红限频率，必须得在这个频率范围之上的光波才能发生光电效应。试验结果很好地证实了爱因斯坦的理论，同样也反驳了经典电磁理论对于光电效应的解释，这是一个伟大的突破。爱因斯坦通过质能方程以及相对论理论推导出光子具有的能量数值。一般说来，较低能量的光子（小于700Kev）与原子的K层电子作用，光电效应是占主导地位的。

康普顿效应

康普顿效应也叫康普顿散射，是指入射光子与原子的外层电子（自由电子）作用，发生弹性碰撞，将自己的能量一部分传递给电子，作用后的光子其运动方向、能量、波长、动量等等都就发生了相应的改变。一般说来，较高能量的光子与物质的作用主要是发生康普顿效应。康普顿效应在物理学上的意义在于证明了光子不但具有能量，同样还具有动量及冲量等，这有力地证明了光的粒子性。

另外能量高于 1.02Mev的光子与物质作用的方式主要是电子对效应，这个BLABLABLABLABLABLA…………..,不细说了。