X射線（X-ray）是由高速電子撞擊物質的原子所產生的電磁波。1895年11月8日，維爾茨堡大學物理所所長威廉·倫琴教授在進行真空陰極射線研究時發現了X射線。X射線，也稱為倫琴射線，是一種頻率極高、波長極短、能量很大的電磁波，其波長為10 pm~10 nm，對應頻率在30 PHz~30 EHz，能量在0.1~100 keV。通常把波長大于0.3nm的部分稱為軟X射線，而把波長小于0.3nm的部分稱為硬X射線，X射線波長愈短其穿透材料的能力愈強。X射線具有明顯的粒子性。在電磁波譜中與紫外線和γ射線相搭接。
X射線一方面具有波動的性質，有一定的頻率和波長；另一方面具有粒子性，是有一定能量光子的粒子流；即X射線具有波動性與粒子性的波粒二象性。X射線具有很強的穿透物質的能力，經過電場和磁場時不發生偏轉，穿過物質時可被吸收或使強度衰減，能激發熒光使照相底片感光，并能殺死生物細胞與組織等，廣泛應用于檢查骨折、化學元素分析、檢測建筑材料缺陷等領域。X射線的研究和應用主要有三個方面：X射線探傷、X射線衍射和X射線光譜學。
發現與發展
發現歷程
1836年，英國科學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發現，在稀薄氣體中放電時會產生一種絢麗的輝光。后來，物理學家把這種輝光稱為“陰極射線”，因為它是由陰極發出的射線。
1858年波恩大學的普呂克教授發現金屬電極之間產生真空放電現象時在陰極對面的管壁上出現了綠色熒光。
1861年，英國科學家威廉·克魯克斯（William Crookes）發現通電的陰極射線管在放電時會產生亮光，于是就把它拍下來，但拍照后并沒有發現任何東西，直到威廉·倫琴發現了X光，克魯克斯才恍然大悟。
1869年，普呂克學生希托夫發現物體放在真空中（真空度為十萬分之一個大氣壓）的陰極和產生熒光的管壁之間，物體能產生清晰的影子。1891年，德國卡爾斯魯厄大學教授赫茲，發現陰極射線可以穿過金屬薄片（金箔、銀箔、鋁箔）。1895年11月8日晚上，德國物理學家倫琴教授在研究真空管中的高壓放電現象時偶然發現放在陰極射線管附近密封好的底片被感光，說明存在一種不可見的穿透力很強的射線，可以穿透木塊、玻璃甚至金屬，由于當時對其性質尚不了解，他將其命名為X射線——“X”在當時科學中常用來代表未知事物。1895年12月28日，他向維爾茨堡物理醫學學會提交了他的研究成果，發表了第一篇關于X射線的學術論文《一種新射線——初步報告》。1896年1月23日晚，在維爾茨堡大學物理研究所禮堂，倫琴教授舉行了一次關于X射線發現及展示的公開報告會，隨后發表第一篇論文。1896年3月倫琴教授發表了第二篇論文《論一種新的射線（續篇）》，1897年倫琴教授發表第三篇論述X射線性質的論文《關于X射線性質的進一步觀察》，1901年倫琴教授獲得諾貝爾物理學獎。
發展
1912年，德國物理學家馬克斯·馮·勞厄證明了Ｘ光具有波的性質，證明X射線的波動性和晶體內部結構的周期性，發表了《X射線的干涉現象》，獲得了1914年諾貝爾物理學獎；1914年，英國物理學家莫塞萊用布拉格X射線光譜儀研究了不同元素的X射線，發現了原子序數；瑞典物理學家卡爾.西格班設計的X射線管，可使曝光時間大大縮短，從而使測量精度提高，能夠對X射線譜系作出精確的分析，因此，1924年獲諾貝爾物理學獎；1949年由美國海軍天文臺杰爾姆·弗里德曼領導的小組把蓋革計數器放在V2火箭上發射升空，首次發現了來自太陽的X射線；1962年美國科學家賈柯尼的研究組發現了第一個太陽系外的X射線源；1971年，豪斯菲爾德研制成功世界上第一臺X射線計算機斷層掃描機（Computerized Tomography，CT）在倫敦一家醫院正式安裝使用；1977年，桑格借助于X射線分析法與美國生物化學家威廉·吉爾伯特、伯格確定了胰島素分子結構和脫氧核糖核酸核酸順序以及基因結構；1998年，美國科學家麥金農利用Ｘ射線晶體成像技術獲得了世界第一張離子通道的高清晰度照片；2006年，羅杰·科恩伯格使用X射線衍射技術結合放射自顯影技術研究遺傳信息最初復制到核糖核酸中的過程，用X射線拍下各個階段的復合體照片，揭示了真核生物生物體內的細胞如何利用基因內存儲的信息生產蛋白質。
從1901年獲諾貝爾物理學獎的威廉·倫琴開始，一個多世紀以來，因研究X射線技術、以及使用X射線進行研究、與X射線有關的研究而獲得諾貝爾獎的已有多人，X射線在科技發展中占有的重要地位。
產生、特點及性質
產生
X射線最早是在陰極射線管中發現的，為獲得X射線制作了發生X射線的專用裝置——X射線管，早期X射線管是一個真空度約10-5mm汞汞柱的二極管，由發射電子的燈絲作陰極和發射X射線的金屬靶作陽極構成。目前，根據各種需要作出不同類型的X射線管。在X射線管的陰陽極之間加上幾千伏電壓，使金屬靶受高速電子流轟擊即可從靶極上發射X射線。
X射線產生有3個基本條件：1.產生并發射自由電子。2.在真空中（一般為10-6mm汞柱）迫使自由電子朝一定方向加速運動。3.在高速電子流的運動路程設置障礙物（陽極靶），使高速運動的電子受阻而停止，靶面上就會發射X射線。
特點
由X射線管產生的X射線具有復雜的組成，在波長和強度上存在差異，從產生機理和射線的特點上，X射線通常分為連續X射線和特征X射線兩種。按其波長和穿透力的不同又可分為兩類：硬X射線和軟X射線。
連續X射線通稱為白色X射線，它是由于在不同時間、不同條件下撞擊陽極靶的自由電子具有不同能量產生的，具有不同的強度和波長，眾多電子多次反復撞擊的結果就形成連續譜。
特征X射線譜也稱標志譜，是高速運動的電子把X光管靶物質原子的內層電子擊出后，其外層電子躍遷到內層空位時把多余能量以X射線的形式輻射出來而產生的。因其與靶物質原子密切相關，也稱為標志X射線譜。
性質
物理性質
穿透作用：X射線的波長短但能量高，照在物質上時僅僅被少部分物質吸收，大多能穿過原子間隙，所以幾乎可以穿透任何一種物質，但這種穿透力和 X 射線光子的能量以及 X 射線管陰陽極之間的電壓有關，光子能量隨著 X 射線的波長減小而增大，同時，X射線根據它對密度不同的物質穿透力不同可以分辨出密度不同的物質。
散射、衍射、折射、反射現象：X射線穿過三維體或者光柵時會產生衍射現象，同時X 射線本身也有干涉、折射和反射現象。這些作用在X射線顯微鏡、波長測定和物質結構分析中都得到應用。
熱作用：物質所吸收的X射線可以被轉變成熱能，使物體溫度升高。
電離作用：物質受X射線照射時，可使核外電子脫離原子軌道產生電離。利用電離電荷的多少可測定X射線的照射量，根據這個原理制成了X射線測量儀器。在電離作用下，氣體能夠導電；某些物質可以發生化學反應；在有機體內可以誘發各種生物效應。?
化學性質
熒光作用：X射線照射到某些化合物如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘、鎢酸鈣等時，可使物質發生熒光（可見光或紫外線），熒光的強弱與X射線量成正比。這種作用是X射線應用于透視的基礎，利用這樣的熒光作用可制成熒光屏，呈現透視時X射線通過人體組織的影像，也可制成增感屏，用作攝影時增強膠片的感光量。
著色作用：X射線長期照射某些物質如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等，可使其結晶體脫水，或引起晶體結構（元素化學價態）變化而改變顏色。
生物性質
X射線照射到生物機體時，可使生物細胞受到抑制、破壞甚至壞死，致使機體發生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變。不同的生物細胞對X射線有不同的敏感度，可用于治療人體的某些疾病，特別是腫瘤的治療。但X射線同時會導致病人脫發、皮膚燒傷、工作人員視力障礙，白血病等射線傷害問題。?
與物質相互作用
X射線照射到物質上與物質相互作用是個復雜的過程，從能量轉換的觀點看可歸結為三個過程：散射能量；吸收能量；透過物質。吸收能量包括真吸收轉換部分和光電效應、俄歇效應、正電子吸收等。透過物質繼續沿原入射方向傳播能量，包括波長改變和不改變部分。
散射
物質對X射線的散射主要是電子與X射線相互作用的結果，物質中的核外電子分為兩類，即原子核束縛不緊的電子和原子核束縛較緊的電子，X射線照射到物質表面后對這兩類電子會產生兩種散射效應。相干散射（彈性散射）：當X射線與原子中束縛較緊的內層電子相撞時，光子把能量全部轉給電子，電子受X射線電磁波的影響繞其平衡位置受迫振動，且振動頻率與入射X射線相同，這個電子又變成一個新電磁波源向四周輻射電磁波，稱為X射線散射波，這些散射波之間符合振動方向、頻率相同，位相差恒定的光干涉條件，發生干涉，原來入射的光子隨能量消失而消失。非相干散射（康普頓-吳有訓效應）：當X射線光子與束縛力不大的外層電子或金屬晶體自由電子相撞時，電子被撞離原運行方向同時帶走光子一部分動能成為反沖電子。這種散射現象叫量子散射，由于量子散射波與入射波波長不同不能產生干涉效應，稱為非相干散射。非相干散射不能參與晶體對X射線的衍射，為衍射精度帶來不利影響。
衍射
單色X射線入射到原子上時會被原子向四面八方散射，形成散射波，由于波程不同會產生相位差，把相互加強的波之間的作用稱為相長干涉，相互抵消的波之間的作用稱為相消干涉，與光在鏡面的反射類似。X射線衍射是由大量量子參與的一種散射現象。X射線照射到晶體上晶體作為光柵產生衍射花樣，衍射花樣可以反映光學顯微鏡所看不到的晶體結構特征。
吸收
X射線照射到物體表面后一部分要被物質吸收，當X射線在均勻物質內部通過時，強度的衰減率與在物質內通過的距離成一定比例，比例系數稱為線吸收系數，其與物質種類、密度、X射線波長有關。線吸收系數的物理意義是單位質量物質對X射線的衰減量，與物質原子序數和X射線波長有關，由此可進行生物體透視和工業生產產品探傷研究。
輻射
當自由電子通過某一介質時，其動能消耗于電離及物質原子的激發，能量轉變成熱，電子在原子核場中受阻，產生極致X輻射。電子在通過陽極物質時收到阻止而放出X輻射的光子，電子由陰極飛向陽極時獲得動能，極致輻射中光子的最大能量應等于電子的動能。輻射在穿過物質時其強度減弱，輻射與物質發生相互作用，并將其一部分能量傳給物質。
主要應用
在醫學領域利用X射線的穿透性和人體組織的吸收差異，可以進行影像診斷和放射治療。X射線的穿透能力極強，由于人體不同的組織對X射線的吸收程度不同，均勻的X線束穿透人體組織后，其不均勻的分布其實就是人體組織的投影，就可以得到病灶的位置信息，如X光照片。
X射線照射到生物機體時，可使生物細胞受到抑制、破壞甚至壞死，致使機體發生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變。不同的生物細胞，對X射線有不同的敏感度，可用于治療人體的某些疾病，如治療腫瘤的X刀。在應用X射線的同時，需要注意其對正常機體的傷害，注意采取防護措施。
在材料科學領域可以利用X射線衍射分析材料的晶體結構、相組成、應力狀態等。主要分為X射線晶體學和X射線光譜學，X射線晶體學是根據X射線照射晶體后所產生的衍射線方向和強度確定晶體結構，可以通過晶體中原子排列檢測物質性質和結構，用以進行物相分析、固溶體分析、晶粒大小測定、應力測定、晶體取向測定等。X射線光譜可以研究物質的原子構造，如電子能級分布、電子云狀態等，通過研究物質發射的X射線波長可以確定物質的元素、成分。
在物理學領域可以利用X射線的散射、吸收、熒光等特性，研究物質的原子和分子結構、電子態密度、化學鍵等。X射線也是天文學重要的觀測頻段，通過使用X射線掠射望遠鏡和探測器等，探測和研究極熱的高能天體產生的高能輻射，如類星體、黑洞和中子星等。因為地球大氣窗口效應，X射線波段需要在太空觀測。在生物學領域利用X射線的衍射和散射，可以解析生物大分子如蛋白質和脫氧核糖核酸的三維結構。X射線探傷和工業X射線計算機斷層掃描(X-CT)成像技術還可以用于科技考古和文物保護研究領域。
危害與防護
危害
X射線在穿透物體過程中會與物質發生相互作用，因吸收和散射使其強度減弱。強度衰減程度取決于物質的衰減系數和射線在物質中穿透的厚度。X射線的穿透能力取決于X射線管的容量，即X射線管的電壓，管電壓越高，X射線越硬，能量越大，穿透能力就越強，穿透能力與管電壓平方成正比，同時對人體的危害也越大。X射線屬于電離輻射，在穿透人體時，長期接觸可能危害健康，會引起人體生物大分子及水分子的電離和激發，并損傷DNA。過量的照射X射線后會影響生理機能，造成染色體異常，對人體生殖、神經和免疫三大系統造成直接傷害，是心血管疾病、糖尿病、癌突變的主要誘因和造成孕婦流產、畸胎等病變的誘發因素，并直接影響未成年人身體組織和骨骼發育，引起視力、記憶力下降。
人體過量接受X射線照射會引起局部組織損傷、壞死或帶來其他隱患，影響程度取決于X射線的強度、波長和人體的接受部位。根據國際放射協會規定，健康人的安全劑量為每工作周不超過0.77X10-4C/kg。X射線輻射對人的效應有兩個顯著的特點：很低的吸收能量可以造成很嚴重的傷害；短時間的作用可以造成非常長久的影響。
輻射劑量的常用單位有：吸收劑量、當量劑量和有效劑量。吸收劑量是單位質量受照物質所吸收的平均電離輻射能量，單位是J/kg，專門名詞是戈瑞（Gray），符號“Gy”，1Gy = 1J/kg，這個單位很大，在實際應用時往往用其千分之一或百萬分之一作單位，即mGy 、μGy，甚至更小nGy。吸收劑量適用于任何類型的輻射和受照物質。
當量劑量是為了用同一尺度表示不同類型和能量的電離輻射對人體造成的生物效應的嚴重程度或發生幾率的大小。這是一個考慮了輻射權重因子的量。當量劑量的單位也是J/kg。為了同吸收劑量單位區別，當量劑量單位叫希沃特(Sievert)，簡稱“希”，符號是“Sv”。實際應用中往往用mSv 、μSv、nSv。
有效劑量是為了計算輻射給受到照射的有關器官和組織帶來的總危險，在輻射防護中引入了組織權重因子概念，有效劑量是一個既考慮了射線種類也考慮了器官組織權重因子的量。有效劑量單位也是希沃特(Sievert)，簡稱“希”，符號是“Sv”。
醫療照射是人類接收人工輻射照射的主要來源。如接受一次胸部X射線透視所受的有效劑量平均為1.1mSv，接受一次全身CT的有效劑量甚至可達8mSv。可致人死亡的照射是急性全身均勻6Gy的劑量。所以一般醫療照射對人體的影響很小。
防護
到目前為止，一般選用鉛作為X射線的防護材料，也可使用混凝土、鐵等。使用非鉛材料防護時，一般需要計算鉛當量，鉛當量是與該防護材料在空氣中同等地減弱劑量強度，以毫米為單位的鉛厚度。在應用X射線的場合需要創造工作條件，使作用于工作人員身上的劑量不超過最大容許值；進行累計劑量檢查或工作人員所受輻射劑量強度檢查；檢查防護物等。
各國衛生部門對X射線的產生和使用都制定了嚴格的安全規范，例如根據GB 18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》，輻射防護劑量限值體系對職業照射和公眾照射有明確的劑量限值要求。對于職業照射：連續5年內的平均有效劑量為20mSv；?連續5年中任何一個單一年份中的年有效劑量50mSv，但5年內有效劑量總合不超過100mSv；眼晶體的年當量劑量150mSv；四肢（手、足）或皮膚的年當量劑量500mSv。
對于公眾照射：年有效劑量為1mSv；特殊情況下，連續5年的年平均有效劑量不超過1mSv，其中某一個單一年份中的年有效劑量可為5mSv；眼晶體的年當量劑量 15mSv；四肢（手、足）或皮膚的年當量劑量50mSv。
參考資料 >
術語在線—權威的術語知識服務平臺.術語在線.2023-05-11
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輻射防護小知識.中國科學院.2023-05-18
如何理解輻射劑量的量與單位.中國科學院.2023-05-18
輻射防護基礎知識.中國科學院.2023-05-18