生於宇宙之初，被人類發現認識只有百餘年——「X勇士的自傳」

愛未知，不愛無知。愛穿透，更愛相干衍射。愛色彩斑斕的斑點，更愛斑斕的多姿底片。不是微波，不是可見光，也不是粒子流。我是X勇士，請叫我X光。

X代表未知，因為X=？意思是一個具有無限未知解的方程；x代表神秘的，而我就是潛伏在大自然中的X。我在哪裡，清晰的視界就在哪裡。你看不見我，但我能看穿你，甚至在你失去知覺的時候很容易穿過你的身體。我就是神秘的X光片。

我的家族

我的家族叫電磁波。我們通過電磁場的相互感應來傳輸能量。即使在真空中什麼也沒有，我們也能以光速旅行。你看不見我，因為和我看得見的兄弟相比，我的波長要短得多，只有0.01-1nm。如果波長是0.1-1納米，請叫我軟X射線；如果波長是0.01-0.1納米，請叫我硬X射線；如果波長小於0.01納米，那麼我是超硬X射線；如果波長較短，那就是我哥哥伽馬射線（來自核衰變）；我弟弟紫外線比我的波長稍長。

讓我與眾不同的是，一方面，我的波長很短，短到了原子量級，所以我可以看到原子是如何排列和組裝在一起的；另一方面，由於我的能量非常高，我有很強的穿透能力，但我的能量不是特別高，所以我可以「透視」有機生命，而不會對它們造成損害。雖然被我照射太久容易患上癌症，但我也可以殺死癌細胞，治療癌症。總之，我是把雙刃劍。

我出生在原子的內層。內層電子躍遷釋放的能量是射線形式的能量，即高能、短波長。我可以衍射或幹涉。

我的「伯樂」

我在宇宙中生活了很多年，但是人類認識我才一百年左右。我被許多物理學家研究過，如克魯克斯、赫茲、特斯拉、愛迪生、勞厄、倫琴等等。起初，在施加電壓的真空管的負端，德國物理學家希託夫看到我使玻璃壁發出螢光，所以人們叫我「陰極射線」

（實際上，我走的是中性線，喜歡陰柔傢伙是電子，不是我）。英國物理學家克魯克斯發明了一種帶有高壓電極的真空玻璃管，也看到了被我感光的照片底片。不幸的是，他對我不感興趣，沒有繼續研究。後來，當著名的「科學超人」尼古拉·特斯拉（Nikolai Tesla）在玩克魯克斯管時，他看到了我的「連續體」——被目標阻擋的高速電子的連續輻射，也就是所謂的韌致輻射。

不幸的是，他甚至連名字都不給我，還提醒人們我對人體有害。德國物理學家赫茲在他的實驗中也發現，我有能力通過金屬箔來驗證電磁波的存在，但他總的來說更喜歡叫我電磁波。

1895年，我的時代終於到來了。德國物理學家威廉·康拉德·倫琴成為我的發現者和命名者。他發現，所謂的「陰極射線」能使塗有氰亞鉑酸鋇的屏幕發光，而包裝嚴密的照相膠片也被射線曝光。這種強大的穿透能力即使面對15mm厚的鋁板也不例外，鋁板只能被鉛板和鉑板擋住。他用這種不知名的光線拍攝了他妻子的手的照片——展示了手掌中的骨頭，以及象徵他們愛情的結婚戒指。

這意味著人體的內部結構不用解剖就能清晰地看到。從那時起，醫生們增加了一副功能強大的「透視眼鏡」，可以透過皮膚看到骨頭，看看身體是否有病變。倫琴興奮地將這種「未知」射線命名為「X射線」。從那以後，我有了一個名字。我的名字意思是「未知X」。

倫琴的發現引發了一場關於輻射的科學研究浪潮。在短短的一年裡，發表了1000多篇關於我的研究論文。法國物理學家貝克勒爾則發現了更多的射線，我的兄弟阿爾法射線、伽馬射線和β射線相繼為人所知。居裡夫婦從自然界中提取鐳和釙，發現了天然放射性物質。在此基礎上，英國物理學家盧瑟福用加速粒子轟擊原子，發現了原子的內部結構，為人們用新的思想研究微觀世界打開了大門。這些人都是諾貝爾獎獲得者。我的發現者倫琴是第一位（1901年）諾貝爾物理學獎得主。

我從哪裡出現

想要製造我並不難。你需要一個真空密封玻璃管，一端是燈絲陽極，另一端是扁平的金屬陰極。當兩端施加高壓時，高速電子會撞擊金屬板靶。如果電子能量足夠高，它可以擊落金屬內部的電子，在原子的內軌道上留下空穴，外層電子將跳回內層填充空穴，同時，它們將發射輻射——X射線。由於高速電子撞擊金屬靶，金屬靶的一端需要水冷卻。早期的X射線管體積大，容易折斷。現代的X射線管已經縮小到原子筆的長度。

現代X射線儀器的光源和功率都有了很大的提高。根據麥克斯韋方程組，可以推導出自由電子在高速運動過程中改變運動方向，同時會輻射電磁波。同步輻射源具有強度高、連續性好、光束準直性好、光束截面小、時間脈衝和偏振特性好等優點。它是光譜研究中最好的光源之一。X射線也屬於這種光源的一個小波長範圍。中國在上海建設了居於世界先進水平的同步輻射光源，上海光源也是世界先進的同步輻射光源。目前，部分束線站已投入使用。

我能看到什麼

自從我被人類發現以來，我受到了很多關注。然而，我的應用並不局限於拍攝「透視」X光片。是馬克斯·馮·勞伊和布拉格父子，真正推動了我的職能。

因為我可以用於拍攝X光片，很多科學家認為我屬於一種特殊的光，那就是一種波。但是為了證明我的波動性，我們必須有衍射和幹涉特性。因為我的波長只有可見光的千分之一，所以手工製作這麼小的光柵是不可能的。

德國物理學家勞伊意識到晶體中的原子在自然界中是有規律地排列的。如果晶體中的原子間隙合適，就可以用作X射線光柵。正是因為晶體中存在著多層原子，相當於多層光柵的疊加，所以衍射圖樣會非常複雜。然而，勞伊和其他人在1912年成功地完成了這項實驗。他們把垂直於晶體軸切割的平行硫化鋅晶片放在X射線源和照相底片之間，他們在照相底片上發現了規則的衍射斑點。這個偉大的發現證實了我的易變性，並提供了一個更強大的實驗工具，用固定波長的x射線探測晶體中原子的排列，這樣人們就可以「看到」晶體中原子的排列。

然而，要從複雜的衍射斑推斷晶體的內部結構並不容易。為此，英國物理學家布拉格父子進行了數學巧妙的推導，並總結出布拉格方程。利用這個簡單的數學模型工具，科學家們已經解決了許多物質的結構問題。例如，我們所知道的，金剛石的結構是碳原子的四面體。

進一步的實驗表明，X射線衍射圖樣與晶體中原子的空間排列是Fourier變換關係。勞厄和布拉格對X射線的研究催生了一種新技術——X射線衍射，它使材料內部的原子排列不再神秘——在我強大的照射下，所有材料都能「看穿」。勞厄於1914年、布拉格父子分別於1915年獲得諾貝爾物理學獎。

我的「超能力」

完成了我的歷史故事，是時候談談我的「超能力」是什麼了。

能力1：晶體結構分析。

我的波長在0.01到1nm之間，這正好是固體中原子的大小和原子之間的距離。我的波長和電子的波長一樣，只是電子有一個靜止質量，而我沒有。當我入射到一個固體材料中時，裡面的大量電子會把我散射出去。而每層規則排列的原子對我的散射疊加就相當於原子平面對我的反射，根據布拉格方程，對於一定波長的入射光，在一定的角度上只會有一個特定的出射光，對應於不同的特徵原子層間距。通過標記這些原子層，可以推斷出晶體中原子的可能排列。

對於單晶材料，我可以在薄膜上留下規則的衍射點，並用傅立葉變換得到原子的排列。通過改變入射方向和出射方向，可以得到原子在晶體中的三維排列。對於多晶材料（由多個取向不同的小單晶組成），可以測量不同衍射角下的發射峰，並推斷出原子層。不同的材料會有自己獨特的衍射峰分布。如果建立一套包含各種晶體結構的標準衍射數據的多晶衍射資料庫，則可以通過檢查很容易地推斷出晶體中的原子排列結構。這個衍射資料庫現在被稱為「粉末X射線衍射卡片庫」，是材料科學中最重要的資料庫之一。X射線衍射證實了DNA複雜的雙螺旋結構。

能力2：元素成分分析。

X射線管中的靶材可以發射一系列與靶材有關的特徵光譜——X射線識別光譜。不同元素有其獨特的核外電子排列方式，因此會有一系列獨特的X射線鑑定光譜。如果以所研究的材料為靶材，用高能電子轟擊，可以得到多組識別光譜。通過標記這些譜線，可以分析材料中的元素組成。通過對光譜重量（即特徵譜線面積）的分析，可以大致得到材料中元素的原子比。通過相似原理，我們還可以分析離子晶體中離子的化學價態。通過一系列的分析，我們可以得到新材料的元素組成和原子排列，並從微觀角度檢測材料的性能。

能力3：觀察有機質的動態過程。

對於長程有序晶體材料，X射線可以給出離散的衍射點分布，而對於短程有序的有機大分子，X射線可以給出一些有規律的衍射點分布。當外界條件如溫度、電場、磁場等發生變化時，一些生物大分子會形成不同的排列方式。通過觀察它們的X射線衍射圖，我們可以知道這些過程是如何發生的。

能力4：固體材料的微觀動力學。

如果發射的X射線和入射的X射線的能量發生變化，則意味著X射線吸收或損失了材料中的一些能量。X射線損失的能量尺度相當於固體材料中原子-原子相互作用、原子-電子相互作用和電子-電子相互作用的能量。通過測量不同能量損失下X射線的分布，可以了解材料的微觀動力學過程。這些研究將促進對材料力學、熱學、光學和電磁特性的物理機制的理解。

能力5：生物透視和工業缺陷檢測。

因為我強大的能量，我可以很容易地穿透一些物質，所以我可以毫無損傷地探測到生命的內部結構。如動物骨骼分布的研究，植物生長的檢測等。醫學上的應用是醫學影像學。通過X射線的照射，我們可以看到體內的病變和胎兒在母體中的位置。在計算機的幫助下，可以將不同角度的X射線圖像合成為三維圖像，即CT掃描。機場和其他地方的安檢站實際上是一個X光儀器。由於X射線是一種高能輻射，長期高劑量輻射會影響人體健康，所以在英美普及的全身安檢掃描儀其實就是太赫茲射線掃描儀。它能清楚地看到你身體的密度，一些金屬材料如槍、彈藥、刀具等都無處藏身。X射線透視功能也可用於工業探傷，即在不損壞被加工零件的情況下，檢測內部是否存在加工缺陷。但是，對於金屬零件，需要更高能量的伽馬射線。

能力6：考古和宇宙學研究。

X射線也可用於考古學。它可以掃描木乃伊的形狀而不破壞棺材。它還可以研究油畫的創作過程。我們的宇宙起源於135億年前的一次「大爆炸」，宇宙中許多強烈的天文現象都會發出X射線。超新星和超新星之間的碰撞是如何被恆星和超新星所粉碎的。