前幾天問了實習(xí)同學(xué)一個問題，X射線是如何產(chǎn)生的，他們都基本回答出來了：陰極燈絲發(fā)射電子轟擊陽極靶，產(chǎn)生了X射線。隨后我又追問他們，為什么電子轟擊陽極靶就會產(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，其實有些問題在書上就有介紹，有些則是仔細想一下就能想通，只是大家通常只是為了考試而背的知識點，只知其然不知其所以然，這次嘗試用自己的語言解釋一下其中原理，如有偏頗之處歡迎批評指正。
再回顧下X射線的產(chǎn)生過程：
陰極燈絲在通電情況下被加熱到一定溫度后會在燈絲周圍釋放出電子，此時在球管的陰陽極上施加強電壓后，由于強電場的作用，電子會由陰極撞向陽極，轟擊在陽極靶面上，與陽極靶發(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阻擋電子向陽極運動，并產(chǎn)生氣體放電，所以需要將球管內(nèi)部抽真空。
那電子撞擊到陽極靶上之后發(fā)生了什么呢？
這些部分書上有些書上有介紹，有些則略去了，我個人感覺略去并不好，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。
電子撞擊到陽極靶上之后發(fā)生的作用比較多，咱們簡化一下，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，咱們一一來說：
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，外層電子就會被電離，脫離靶原子的束縛并具有一定的動能；
如果電離出的電子能量較高，那么它其實與入射的電子沒有太大區(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
此過程會產(chǎn)生X射線，但是是特征X線，也叫標(biāo)識X線。
這個過程不難理解，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，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躍遷來填補空位，外層軌道電子處于高能級，躍遷就會產(chǎn)生出能量為兩能級之差的電磁波，也就是特征X射線。
那為什么叫它特征X線呢？因為不同的靶材料都有自己特定的X線譜，所以此射線其實表征的是靶物質(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
作用過程我覺得教材上寫的很好懂，這里引用一下：
“經(jīng)典的電磁學(xué)理論指出：當(dāng)一個帶電體在外電場中速度變化時，帶電體將向外輻射電磁波。
高速電子進入原子核附近的強電場區(qū)域、然后飛離強電場區(qū)域從而完成一次電子與原子核的相互作用時，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。”——來源：醫(yī)學(xué)影像成像理論第2版主編：李月卿Page22
也就是說，當(dāng)高速電子在經(jīng)過靶原子核周圍時，電子會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，也就是X線。
但是，由于每個電子在與靶原子核發(fā)生相互作用時的能量不同，距離靶原子核的距離也不同，導(dǎo)致被靶原子核的強電場影響的程度也不同，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？
以下是我的個人對此的理解，如有錯誤歡迎指正：
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，只占整個原子體積的萬分之一，而內(nèi)層軌道電子雖然會產(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)層電子作用都會產(chǎn)生特征輻射，而且內(nèi)層電子的所占的整個原子體積空間范圍也沒有那么大;
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一下，中間為原子核，但是實際上原子核比這個小很多很多，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1萬到10萬倍;
而原子核外像云一樣的顆粒指的并不是一個一個的電子，因為核外電子的運動與宏觀物體運動不同，它沒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)機會（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，可以說絕大部分都是穿過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)說過了，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。
