X射線與中子射線

　　一、X射線的發(fā)現(xiàn)與應用

　　1.X射線是什么

　　X射線（英語：X-ray），又稱倫琴射線、愛克斯射線或X光，是波長很短的一種電磁波，其特征是波長非常短，頻率非常高。它是由于原子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產(chǎn)生的粒子流，波長介于0.01納米到10納米之間（對應頻率范圍30PHz到30EHz），是一種介于紫外線和γ射線之間的電磁輻射。光學光譜是原子中外層的電子躍遷時發(fā)射出來的，而X射線光譜是原子中最靠內(nèi)層的電子躍遷時發(fā)出來的，X射線在電場磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，X射線是不帶電的粒子流。

　　這種肉眼看不見的射線穿透本領(lǐng)非常高，能穿透許多對可見光不透明的物質(zhì)，如墨紙、書本、木料等，還可以使許多固體材料產(chǎn)生可見的熒光，使空氣電離以及照相底片感光等效應。

　　產(chǎn)生X射線的裝置

　　2.X射線的發(fā)現(xiàn)

　　1895年11月8日晚，威廉·康拉德·倫琴在研究陰極射線的一次實驗中，為了防止外界光線對放電管的影響和管內(nèi)的可見光外漏，確保實驗的精確性，他事先把各種實驗器材用錫紙和硬紙板都包裹得嚴嚴實實。他讓陰極射線從一個沒有安裝鋁窗的陰極管透出，可是，讓他驚奇的是，對著陰極射線發(fā)射的一塊涂有氰亞鉑酸鋇的屏幕（這個屏幕用于另外一個實驗）在閃光，而放在電管旁邊的一疊嚴密封閉的底片也變成了灰黑色，這說明底片已經(jīng)曝光了！

　　這個一般人很容易忽略的現(xiàn)象，引起了威廉·康拉德·倫琴的注意和好奇，并讓他產(chǎn)生了濃厚的興趣，他反復又做了幾次這個實驗，結(jié)果是一樣的，那個屏幕確實在發(fā)光。他陷入了沉思，他想：底片的曝光，充分說明放電管發(fā)出了一種穿透力極強的射線，但絕不是陰極射線，而是一種新的射線，這種射線甚至能穿透裝底片的袋子。但還不知道它到底是什么射線，于是給它取名“X射線”。

　　于是，威廉·康拉德·倫琴開始對這種神秘的X射線進行研究。他先將一個涂著磷光物質(zhì)的屏幕放在放電管與屏幕之間，重復上面的實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)屏幕立即發(fā)出了光。接著，他又拿一些平時不透光的書本、橡皮板和木板等較輕物質(zhì)，放在放電管與屏幕之間，企圖擋住那束看不見的神秘射線，可是卻不能擋住它，屏幕上幾乎看不見任何陰影，甚至連15毫米厚的鋁板它也能輕而易舉地穿透！最后他把一塊厚厚的金屬板放在放電管與屏幕之間，屏幕上終于出現(xiàn)了金屬板的陰影。看來太厚的物質(zhì)這種射線還是沒有能力穿透。通過實驗他還發(fā)現(xiàn)，鉛板和鉑板能擋住這種光線使屏不發(fā)光；當接通陰極管時，放在旁邊的照相底片即便用厚厚的黑紙包起來，也將被感光。

　　接下來，威廉·康拉德·倫琴又發(fā)現(xiàn)更加神奇的現(xiàn)象，一天晚上他的妻子來實驗室看他，當時他要求妻子用手捂住照相底片，然后用X射線對準照射15分鐘，顯影后，夫妻倆驚奇地發(fā)現(xiàn)，底片清晰地呈現(xiàn)出他妻子的手指骨頭和戒指的影像。

　　雙手X光圖片

　　1896年1月5日，很多X射線的照片在柏林物理學會會議上展出，同時，維也納《新聞報》也刊登了發(fā)現(xiàn)X光的消息。這一偉大的發(fā)現(xiàn)立即很快傳遍全世界，并引起了人們極大的關(guān)注。在隨后幾個月里，數(shù)百名的科學家對此進行調(diào)研，一年之內(nèi)竟有上千篇關(guān)于X射線的論文問世。

　　3.X射線的應用

　　盡管是威廉·康拉德·倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，但當時沒有任何人知道這種射線究竟是什么。1906年，實驗證明，X射線其實是一種光長非常短的電磁波，比光波還短，因此能夠產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象。它的發(fā)現(xiàn)為物理學的重大變革提供了重要的證據(jù)。最初，X射線用于醫(yī)學成像診斷和X射線結(jié)晶學，目前，X射線不僅廣泛應用于醫(yī)學中的診斷和治療，成為人類戰(zhàn)勝疾病的有力武器，還用于工業(yè)上的非破壞性材料的檢查。正因為如此，1901年威廉·康拉德·倫琴獲得了諾貝爾獎，他是世界上第一個榮獲諾貝爾獎物理獎的人。人們?yōu)榱思o念威廉·康拉德·倫琴，將X射線命名為倫琴射線。

　　特別提醒的是，X射線是游離輻射等類型的射線，對人體有輻射的危害。

　　二、中子射線

　　中子射線就是中子流，中子為原子核的基本粒子之一。原子核在受到外來粒子的轟擊時，會產(chǎn)生核反應，從原子核里就會放射出中子，從而形成中子射線。因此，中子射線的輻射源為核反應堆、加速器或中子發(fā)生器。

　　按能量的大小中子分為：快中子、慢中子和熱中子。中子的電離密度較大，常常引發(fā)大的突變。在輻射育種中，應用比較多的是熱中子和快中子。

　　探測晶體結(jié)構(gòu)的法寶

　　晶體結(jié)構(gòu)是晶體的微觀結(jié)構(gòu)，指的是晶體中的實際質(zhì)點——原子、離子或者分子的具體排列情況。

　　自然界的固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體。晶體多為固態(tài)的金屬與合金。晶體與非晶體的最本質(zhì)的差別在于：組成晶體的原子、離子、分子等質(zhì)點的排列是規(guī)則，而非晶體中的質(zhì)點基本上是無規(guī)則地堆積在一起。多數(shù)情況下，金屬及合金多以結(jié)晶狀態(tài)使用。晶體結(jié)構(gòu)是固態(tài)金屬的物理、化學和力學性能的基本決定因素之一。那么怎樣才能看見原子等質(zhì)點在材料中的排列呢？

　　原子的直徑約10-10米，可是人眼能看到的最小尺寸一般在0.1毫米左右，僅僅是頭發(fā)絲樣的粗細，而最好的光學顯微鏡放大倍數(shù)也僅僅是1000倍。那么，怎樣才能看到原子等質(zhì)點在材料中的分布和排列的呢？科學家為此找到了一些特殊的方法。

　　1.X射線衍射

　　前面已經(jīng)講過，X射線的波長介于1納米（10-9米）到0.01納米之間，這與原子的尺度幾乎相近，同時X射線還具有非常強的穿透力。因此，科學家們利用X射線衍射構(gòu)造成更為精細的顯微鏡。

　　X射線是一種波長恰好在原子尺度的電磁波，當它以特定的角度射入到晶體材料中時，就會被排列規(guī)則的原子層反射。反射過程遵循布拉格定律，即只有當原子層間距與入射波長滿足固定方程時，才會產(chǎn)生出射波。因此，通過對不同入射角度或出射角度下的X射線進行探測，就可得到材料內(nèi)各種可能的原子層間距，從而依此就可以進一步推算出原子的排列方式?？梢姡琗射線衍射，猶如給觀察者戴上了一副精巧的“眼鏡”，可以通過“透視”來“感知”原子在晶體材料中的排列方式。

　　2.中子散射

　　除X射線衍射外，我們還可利用中子散射來探測原子的排列方式，中子是電中性的（沒有凈電荷），將會主要被原子核反射，因此能夠非常精細地確定原子的位置。中子還帶有磁矩，所以它還具有另一個獨一無二的功能——探測材料內(nèi)部磁矩的排列方式，研究固體磁性的起源。

　　X射線和中子的散射還可用以研究材料內(nèi)部原子或電子的動力學性質(zhì)。例如，原子的熱振動、電子的運動方式、電子和原子核之間的相互作用、電子和電子間的相互作用過程等一系列的問題。這些動力學過程就是材料宏觀上的熱、電、磁等性質(zhì)在微觀下的表現(xiàn)形式，通過對它們的研究，可幫助和促進我們理解材料的性質(zhì)，指導我們尋找更加適于應用的材料。

　　X射線散射和中子散射是現(xiàn)代凝聚態(tài)物理研究的重要手段，它們的實現(xiàn)是依賴于大型科學裝置（如同步輻射和核反應堆等）提供X射線光源和中子源。已經(jīng)建成的中國上海光源和正在建設的中國散裂中子源就是為此服務的。

 　　觀察準晶體的結(jié)構(gòu)

　　奇妙的準晶體

　　準晶體是由兩種或兩種以上的不同晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的產(chǎn)物，可以通過金屬合金液體在高溫下迅速冷卻獲得，是介于晶體和非晶體之間的一種固體。不同的晶體通過組合，可能會產(chǎn)生這些具有獨特對稱性的材料。與晶體一樣，準晶體也具有規(guī)則的外形，且形狀非常奇怪。

　　準晶體的發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)出了大自然的種種奇妙之處，因此，2011年準晶體的發(fā)現(xiàn)者、以色列科學家謝赫特曼獲得了諾貝爾化學獎。