前幾天問(wèn)了實(shí)習(xí)同學(xué)一個(gè)問(wèn)題，X射線是如何產(chǎn)生的，他們都基本回答出來(lái)了：陰極燈絲發(fā)射電子轟擊陽(yáng)極靶，產(chǎn)生了X射線。隨后我又追問(wèn)他們，為什么電子轟擊陽(yáng)極靶就會(huì)產(chǎn)生射線？為什么球管內(nèi)部要真空環(huán)境呢？為什么產(chǎn)生的射線能譜是多能的呢？為什么X射線的發(fā)生效率如此低呢？他們就一臉懵逼了，其實(shí)有些問(wèn)題在書(shū)上就有介紹，有些則是仔細(xì)想一下就能想通，只是大家通常只是為了考試而背的知識(shí)點(diǎn)，只知其然不知其所以然，這次嘗試用自己的語(yǔ)言解釋一下其中原理，如有偏頗之處歡迎批評(píng)指正。
再回顧下X射線的產(chǎn)生過(guò)程：
陰極燈絲在通電情況下被加熱到一定溫度后會(huì)在燈絲周圍釋放出電子，此時(shí)在球管的陰陽(yáng)極上施加強(qiáng)電壓后，由于強(qiáng)電場(chǎng)的作用，電子會(huì)由陰極撞向陽(yáng)極，轟擊在陽(yáng)極靶面上，與陽(yáng)極靶發(fā)生作用，不足1%的能量轉(zhuǎn)化為X射線，其余能量全部轉(zhuǎn)化為熱能而散發(fā)出去。
而由于空氣中的各種氣體分子和原子會(huì)阻擋電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生氣體放電，所以需要將球管內(nèi)部抽真空。
那電子撞擊到陽(yáng)極靶上之后發(fā)生了什么呢？
這些部分書(shū)上有些書(shū)上有介紹，有些則略去了，我個(gè)人感覺(jué)略去并不好，理論需要原理去幫助理解，略去之后就只記得概念，而不知道概念的原理了。
電子撞擊到陽(yáng)極靶上之后發(fā)生的作用比較多，咱們簡(jiǎn)化一下，基本分為三種。
大家應(yīng)該都知道，原子由原子核與核外電子組成，而核外電子又有內(nèi)層軌道電子和外層軌道電子之分。
這三種作用就分別是與靶原子的外層電子、內(nèi)層電子和原子核的作用，咱們一一來(lái)說(shuō)：
一、與靶原子外層電子發(fā)生的作用：
主要是碰撞損失，電子與靶原子外層電子發(fā)生碰撞，電子損失一部分能量，而原子則被激發(fā)或電離；
如果能量損失大于外層電子的電離能時(shí)，外層電子就會(huì)被電離，脫離靶原子的束縛并具有一定的動(dòng)能；
如果電離出的電子能量較高，那么它其實(shí)與入射的電子沒(méi)有太大區(qū)別了，一樣可以與靶原子發(fā)生三種作用。
最終，電子會(huì)在不斷的碰撞中能量損失殆盡，這部分的能量損失最終都變成了熱量。
二、與靶原子內(nèi)層電子發(fā)生的作用
此過(guò)程會(huì)產(chǎn)生X射線，但是是特征X線，也叫標(biāo)識(shí)X線。
這個(gè)過(guò)程不難理解，如果某些高速電子的能量大于靶原子的內(nèi)層軌道電子時(shí)，電子就有一定的概率將內(nèi)層電子擊出使之成為自由電子，而外層軌道電子就會(huì)躍遷來(lái)填補(bǔ)空位，外層軌道電子處于高能級(jí)，躍遷就會(huì)產(chǎn)生出能量為兩能級(jí)之差的電磁波，也就是特征X射線。
那為什么叫它特征X線呢？因?yàn)椴煌陌胁牧隙加凶约禾囟ǖ?span>X線譜，所以此射線其實(shí)表征的是靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)特性，所以通常把這種輻射射線稱為特征X線。
三、與靶原子核發(fā)生的作用
這就是連續(xù)X線的產(chǎn)生方式，是重點(diǎn)
作用過(guò)程我覺(jué)得教材上寫(xiě)的很好懂，這里引用一下：
“經(jīng)典的電磁學(xué)理論指出：當(dāng)一個(gè)帶電體在外電場(chǎng)中速度變化時(shí)，帶電體將向外輻射電磁波。
高速電子進(jìn)入原子核附近的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域、然后飛離強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域從而完成一次電子與原子核的相互作用時(shí)，電子的速度大小和方向必然發(fā)生變化。按上述理論，電子將向外輻射電磁波而損失能量，電磁波的頻率由E=hv決定。電子的這種能量輻射叫軔致輻射，這種輻射所產(chǎn)生的能量為hv的電磁波稱為X線光子。”——來(lái)源：醫(yī)學(xué)影像成像理論第2版主編：李月卿Page22
也就是說(shuō)，當(dāng)高速電子在經(jīng)過(guò)靶原子核周圍時(shí)，電子會(huì)受到靶原子核影響而損失能量改變傳播方向，損失的能量以電磁波的形式釋放出來(lái)，也就是X線。
但是，由于每個(gè)電子在與靶原子核發(fā)生相互作用時(shí)的能量不同，距離靶原子核的距離也不同，導(dǎo)致被靶原子核的強(qiáng)電場(chǎng)影響的程度也不同，所以造成由此產(chǎn)生的X線的頻率也不相同，也就是X線的能量不同；
大量的電子與靶原子核發(fā)生作用產(chǎn)生了大量的不同頻率的X線，共同組成了具有頻率連續(xù)性的X線光譜。這就是為什么X線球管發(fā)出的射線是多能譜射線的原因了。
那么為什么X線的發(fā)生效率這么低呢，只有不到1%呢？
以下是我的個(gè)人對(duì)此的理解，如有錯(cuò)誤歡迎指正：
產(chǎn)生X線的作用方式是與內(nèi)層軌道電子和原子核作用，分別產(chǎn)生特征X線與連續(xù)X線。
眾所周知，原子內(nèi)原子核雖然占了原子的絕大部分質(zhì)量，但是體積卻非常的小，只占整個(gè)原子體積的萬(wàn)分之一，而內(nèi)層軌道電子雖然會(huì)產(chǎn)生特征X線，但是有發(fā)生概率，并不是電子與靶原子的內(nèi)層電子作用都會(huì)產(chǎn)生特征輻射，而且內(nèi)層電子的所占的整個(gè)原子體積空間范圍也沒(méi)有那么大;
量子力學(xué)的原子模型，中間為原子核。
上面的原子模型需要說(shuō)一下，中間為原子核，但是實(shí)際上原子核比這個(gè)小很多很多，原子大小直徑約在10^-10米，原子核的直徑約為10^-15~10^14米，也就是相差1萬(wàn)到10萬(wàn)倍;
而原子核外像云一樣的顆粒指的并不是一個(gè)一個(gè)的電子，因?yàn)楹送怆娮拥倪\(yùn)動(dòng)與宏觀物體運(yùn)動(dòng)不同，它沒(méi)有確定的方向和軌跡，只能用電子云描述它在原子核外空間某處出現(xiàn)機(jī)會(huì)（幾率）的大小。
那么高速電子與原子核和內(nèi)層電子發(fā)生作用的幾率肯定小的可憐，可以說(shuō)絕大部分都是穿過(guò)原子核外的電子云空間與核外外層電子發(fā)生了碰撞而損失了能量，只有極少一部分電子經(jīng)過(guò)了原子核或內(nèi)層軌道電子附近，產(chǎn)生了X射線。
而之前咱們已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，碰撞損失的能量全部轉(zhuǎn)化成了熱量，所以高速電子的能量基本都轉(zhuǎn)化成了熱量，只有不到1%的能量轉(zhuǎn)換成了電磁波，也就是X線。
