放射物理与精准放疗工程 · 第 1 卷 / 共 11 卷
从原子结构到韧致辐射与特征辐射
本卷导读
建立放射物理的微观基础：原子结构、能级、波粒二象性、X 射线产生机制、韧致辐射与特征辐射，以及诊断与治疗能段的物理差异。
知识结构
- 原子结构与能级
- X 射线的产生机制
- X 射线的本质与物理效应
- 发现史与技术分野
原子结构与能级
质子、中子与核外电子的数量关系决定了原子的电性与质量分布，壳层能级则决定了特征辐射的波长。
在原子的世界中，质子、中子和电子是三个主要的成员。除此之外，还有介子，夸克等。
从所带的电荷特性方面来说，质子携带的是正电荷，电子携带的是负电荷，中子不带电荷，中子呈中性。
电荷属性很重要，要牢牢地记住，因为后面会用得到。
从各自的数量上来说，在原子中，质子的数量与核外电子的数量是相等的，这就使得原子呈电中性。
从大小上来说，相比于质子和中子，电子显得更加渺小：质子的质量是电子的1836倍，中子的质量是电子的1800倍。
劣势，有时也是优势，要看用在什么地方，怎么去发挥他的价值。有些所谓的无用，只是不知道他的用处。
也正是因为电子更轻巧的特点，使得他更容易被加速，因此有了放射治疗中的一款主要设备：电子直线加速器。从名字就可以看出：给电子加速器。
电子很小、很轻，看似微不足道，但在后续的环节中扮演着很重要的角色，比如：X射线的产生、高能X射线的产生，X射线与物质的相互作用过程等，都会涉及到电子。跟电子有关的特点，要非常熟悉。
跟质子和中子有关的放射治疗设备是质子加速器和中子加速器，由于这两种粒子质量更大，因此相比于电子直线加速器，质子加速器和中子加速器更加庞大和复杂，同时也更加昂贵。
物质结构是放射物理中很重要的基础知识，后面都会用的到，因此需要掌握和理解。
为了便于显示和理解，图片中把电子画大了，现实情况是：电子要比质子和中子小的多。
质子和中子位于原子核中，由于质子带正电荷，中子不带电荷、呈电中性，因此使得原子核带正电荷。
这些轨道并不是真实存在的，只是为了描述得更加形象。
轨道上的电子数目与轨道类型之间有个规律，也就是公式：电子数＝2n²。核外电子在轨道上并不是一动不动的，而是进行旋转运动，因此就有了描述他们运动状态的物理量：主量子数、角动量、磁量子数以及自旋量子数（这4个物理量，详细情况请查阅专业教材）。
最后一张图片中，为了显示的原因，将电子、中子和质子画得一样大，其实电子比质子和中子小得多。
因为杰出的贡献，三位伯乐都获得了诺贝尔奖，不过卢瑟福获得的是诺贝尔化学奖。
1908年，卢瑟福获得该年度的诺贝尔化学奖，他对自己不是获得物理学奖感到有些意外，他风趣地说：“我一个搞物理的怎么就得了个化学奖呢？”“这是我一生中绝妙的一次玩笑！”。因发现中子，获得1935年诺贝尔物理学奖的查德威克，是卢瑟福的学生。而卢瑟福，则是约瑟夫·汤姆逊的学生。
对于原子结构和各种粒子，如果觉得学起来很难、很抽象，是再正常不过的了，因为如果特别简单，就不会获得诺贝尔奖了。
1897年，汤姆逊研究阴极射线时发现了电子。同时提出了原子的“葡萄干布丁模型”：电子像葡萄干，分布在原子这块蛋糕上（布丁）。
电子围绕着原子核旋转，同时电子分布在不同的能量层上（形象地理解为轨道）。
波粒二象性的提出，是物理学中的一个重大发现，因为在这之前一直觉得：波和粒子是绝对对立的。对于一个物体，他要么是粒子（比如电子），要么是波（比如光），也就是非此即彼、水火不相容。
对于粒子来说，粒子有质量、有动能，相遇的时候会发生碰撞。而对于光来说，光有波长、有频率，相遇时不会发生碰撞，而是会发生干涉。
说起波粒二象性，就得提一下这个理论的创始人：爱因斯坦和德布罗意，其中爱因斯坦发现的光电效应，证明了光具有粒子的性质；德布罗意提出物质波的概念，指出电子也可以用波粒二象性来研究。
之所以要提波粒二象性，是因为在放射物理中讲X光本质的时候，会涉及到波粒二象性，同时在讨论X光与物质相互作用的时候，也会用到波粒二象性。
当X光在传播的时候，表现的主要是波的性质，具有波长、频率等。当X光在与物质相互作用的时候，表现的主要是粒子的性质，比如具有质量、动能等，因此也称作X光子。
X光与物质相互作用的过程，主要有光电效应、康普顿散射和电子对效应。
X 射线的产生机制
高速电子在靶物质中减速或激发内层电子，分别产生连续谱与特征谱。管电压、靶材料与滤过共同决定能谱形状。
当给灯丝加热时，原子核外的电子就开始坐立不安了：他们获得能量后，脱离了原子的束缚，获得了自由。
这条高速路的一端叫做阴极，也就是他们来的地方，阴极有个重要的人物，叫做灯丝；高速路的另一端叫做阳极，有一个叫做金属靶的人物在那里等着他们。
进入高压电场的电子速度越来越快，因为电场赋予了他们能量。说明一下：电子轰击金属靶产生X射线的同时，还会产生很多的热量。
电子从获得自由、加速到打靶整个过程发生的场所，叫做X线球管。
对于阳极，也有一个发展历程，由最初的固定阳极发展到了如今的旋转阳极。
X线球管里的高压电场是KV（千伏）级的高压，产生的X射线携带的是KV级的能量，之所以要说这一点，是要跟放射治疗中的MV（兆伏）级X射线区分。
当高速运动的电子轰击金属靶时，把这个过程细化：如果电子遇到了原子的原子核，就会与原子核周围的库仑场发生相互作用，这种相互作用的成果，就是产生了连续X射线，也称作韧致辐射。
有的分数高，有的分数低，呈连续分布（也符合正常的分布）。
理解了韧致辐射的产生原理很重要，影像科用于成像的X射线以及放疗科用于治疗的X射线，都指的是韧致辐射。
这一次，高速运动的电子没有遇到原子核，而是遇到了原子核外的轨道电子，也就是与核外电子发生了碰撞。在这场碰撞的过程中，原本待在轨道上的电子获得了能量，脱离了原子的束缚，成为了自由电子。
特征X射线的能量，等于两个轨道之间的能量差（也就是两个能级之间的能量差）。
特征X射线和连续X射线，组成了X射线能谱，也就是上面最后一张比较抽象的图片，其中有一个山峰样的凸起，就是特征X射线。
在高速运动的电子轰击金属靶的过程中，从微观世界里看，由于高速运动的电子遇到的人物不同，最后的结局也有了差异：
有一部分高速运动的电子，没有进入原子核的领地，而是遇到了原子的核外电子，在这场相遇中，没有直接产生X射线，而是轨道电子先脱离了原子的束缚，获得了自由，在原先的地方形成了一个空位，然后相邻轨道的电子果断地来了一场搬家，在这场搬家途中，释放出了能量，也就是特征辐射。
这场搬家，专业术语称作跃迁，也像是从三环搬到了二环……
X 射线的本质与物理效应
X 射线是电磁波，也是光子。穿透、荧光、电离与感光效应构成了医学应用的基础。
从本质上来说，X射线是一种电磁波，具有波粒二象性。对于电磁波和波粒二象性这两个概念，刚接触的时候可能会觉得有些抽象，看着就犯困……。对于电磁波来说，具有轴向的电场和横向的磁场，跟机械波明显不同的是，电磁波在真空中也可以传播。
所谓波粒二象性，就是既具有波的性质，也具有粒子的性质。
对X射线来说，在他传播的时候，主要表现的是波的性质，比如波长、频率、干涉、衍射等。
而当X射线与物质发生相互作用（比如光电效应、康普顿散射、电子对效应等）的时候，主要表现的是粒子的性质，比如质量、动能等，因此X射线也称作X光子。
之所以介绍X射线的波粒二象性，是因为放射物理中在讨论X射线与物质相互作用的时候会用得到。
作为电磁波里的一员，X射线（X光）的波长更短，频率更高，能量也就更高，也是因为携带能量的特点，让他在肿瘤的放射治疗中发挥出了很大的作用。
知道了X射线的本质，接着来看一下X射线有哪些特点，也就是X射线的特性，X射线的特性分为物理特性、化学特性和生物特性。
特点跟应用有关，了解X射线的特性，是为了更好地去运用它，从而发挥出它的长处。
X射线具有一定的穿透能力，就像是一种穿墙术，X射线携带的能量越多，穿透能力越强，比如100KV（千伏）X射线的穿透力要比80KV（千伏）的X射线强；MV（兆伏）级X射线的穿透力要比KV级的X射线强。
放射治疗中应用的主要是X射线的电离作用：通过电离，破坏肿瘤细胞的结构，从而消灭肿瘤。
当X射线照射到物质上时，会使特殊的物质（比如铂氰化钡）发出荧光，也是因为荧光现象，X射线才被他的伯乐-物理学家伦琴发现。
因为荧光作用，让看不见、摸不着的X射线得以现身。也是因为荧光作用，这些荧光物质（铂氰化钡、硫化锌镉等）跟着沾了光：被制作成荧光屏，也就有了用武之地。
X射线的波长很短，能量很高。当X射线照射到物质上时，会将携带的能量转换为热量。
了解了X射线的产生，接下来一起来探究一下X射线的本质，理解了本质，才会更加深入地掌握。
作为光学家族的一员，X射线从本质上来说，是一种电磁波。电磁波，由纵向的电场和垂直方向（横向）的磁场组成。跟机械波（比如声波）明显不同的是，电磁波在真空中也可以传播，是畅通无阻。
任何一件事物，既有优势也有不足。X射线这种电磁波，他的波长很短，但由于频率与波长成反比，因此他的频率很高；而能量又与频率呈正比，因此X射线的能量很高。
对有些初学者来说，一看到"波粒二象性"这个抽象的词就会犯困，其实真正理解了，就会觉得比较有意思。
作为电磁波家族中一员的X射线，也具有波粒二象性，既有波的性质，也有粒子的性质。之所以要提波粒二象性，是因为在探讨X射线的特性以及他与物质相互作用的时候会用得到。
在X射线传播时，表现的主要是波的性质（波动性），常用到几个词：波长、频率等。在X射线与物质发生相互作用的时候，表现的主要是粒子的性质，比如质量、动能等，因此X射线也可以称作X光子。
了解X射线的特性，会帮助我们更好地驾驭和使用他。
X射线的物理效应中，又有这么几个标签：穿透性、荧光作用、电离作用、热作用，除此之外，还具有光学家族的共性：干涉、衍射、反射、折射等（物理学中，在学习光学部分的时候会遇到这几个家伙）。
因为X射线的穿透性，再加上不同组织对他的衰减能力不同，使他在成像中有了用武之地。也可以说，穿透性是X线用于成像的基础。
荧光作用：看不见、摸不着的X射线，却会在荧光物质面前现身，使其发出荧光。由于这种特点，荧光物质和X射线这对搭档就被用到了成像（透视）中，帮助人们发现疾病。
弊在于，X射线也有可能破坏正常组织，从而引起肿瘤的发生。
扩展一下：吸收剂量的量热法就是依据这种作用。化学效应中有两个主要的标签：感光作用和着色作用。
感光作用：X线与可见光一样，当它照射到胶片的溴化银上时，由于电离作用，使溴化银药膜发生化学变化，出现银粒沉淀，这就是X线的感光作用。
着色作用：某些物质如铂氧化钡、铅玻璃、水晶等，经X线长期照射后，其结晶脱水而改变颜色，称作着色作用。
X射线的生物作用是他应用于放射治疗的基础，与此有关的一个学科叫做放射生物学，重点研究X射线照射到生物体之后，引起电离、激发过程，最终产生了生物效应。
本章抽象的概念比较多，看着可能比较枯燥，但X射线的特性是基础，因此要比较熟悉。
发现史与技术分野
伦琴的实验、早期辐射损伤与现代防护原则，共同塑造了放射诊断与放射治疗的分工。
对于X射线，很多人多少都有所接触：最常接触的可能是去放射科拍摄X光片，或者拍摄牙科X光片，或者做胸透。
X射线也称作X光，作为光学家族中的一员，他的波长很短，给人的感觉是看不见、摸不着，像是隐身状态。虽然波长短，但这位"隐君子"携带的能量很高，有几个优良的特点（当然也有不足），因此人们借助他的长处来发现疾病、治疗疾病，在医学中发挥了很大的价值（除了医学，其他领域也有X射线的身影，只不过我们平常接触比较少）。
如果把X射线（X光）比做千里马的话，那这匹千里马的发掘，离不开伯乐的贡献。
这一发现使他十分惊奇，他重复着实验，把荧光屏一步步移远，即使在2米左右，屏上仍有较强的荧光出现，当他带着这张涂料纸走进隔壁房间，关上门，荧光屏在管子工作时仍继续闪光。
在1895年最后的七个星期之内，伦琴独自在自己的实验室里研究这种新的射线及其特性，为了排除视力的错觉，他利用感光板把他在光屏上观察到的现象记录下来。
为了纪念这位伯乐，有的国家和地区也将X射线称作伦琴射线。
X射线被发现后，被应用到了疾病的诊断和治疗中，给医学影像学的发展带来了很大的影响。
因为发现X射线的贡献，1901年，诺贝尔物理学奖颁给了伦琴。这位伯乐，成为了第一位诺贝尔物理学奖获得者。
对灯丝来说，和其他物质一样，他也是由一个个原子组成的；那对于原子呢，又由原子核和核外电子组成，电子在原子核外老老实实地待着，电子是很关键的人物，接下来就准备上场了。
当然还有最核心的人物：电子，如果没有电子，没有电子轰击金属靶，也就没有X射线什么事情了。
灯丝所在的地方称作阴极，钨靶所在的地方称作阳极，阳极和阴极之间的"高速路"，就是高压电场了，电场的电压一般为KV级（千伏级）。
用专业术语来说，概括为：阴极灯丝发射的电子，经过高压电场加速后，高速运动的电子轰击阳极的钨靶，产生了X射线，同时产生了热量。
所谓连续X射线，是因为他的能量分布是连续的，也就是在他的队伍里面，有的X光子能量高，有的X光子能量低。也像是一个班级的学生，成绩各个分数段的都有。
跟直奔原子核的电子不同，还有一部分电子没有去原子核，而是来到了核外电子的地盘，也就是电子遇到了电子。高速运动的电子撞向了待在轨道上的电子，可想而知，这个电子自然就被撞飞了，也像是从轨道上跑了出来，这时没有产生X射线，重点在后面：
在电子的这场搬家途中，他释放出了能量，也就是产生了X射线，这种X射线，称作特征辐射，也就是非连续X射线。特征辐射的能量，等于相邻两个轨道（能级）之间的差值。
韧致辐射与特征辐射，就组成了我们常说的X射线，所谓的X射线能谱，就是韧致辐射与特征辐射共同组成的，在X射线能谱中，有一个像山峰一样的形状，就是特征辐射。
1895年，一位名叫威廉·伦琴的物理学家正在使用阴极射线管进行实验。
阴极射线管是一个玻璃容器，其中一束电子照射在荧光窗口上，使其发光。他在管子外面包了一层纸板，以防止荧光灯透出来。看不见的射线穿过了纸板。威廉不知道那些射线是什么，所以他把它们称为X射线。
他的这一发现最终使他获得了诺贝尔奖。现在已知发生了什么。当阴极射线管中的高能电子撞击金属组件时，它们要么被减速并释放出额外的能量，要么踢出它们撞击的原子的电子，从而触发再分配，再次释放能量。在这两种情况下，能量以X射线的形式发射出来，这是一种比可见光更高能量、比伽马射线更低能量的电磁辐射。
它们在医学应用中特别有用，因为它们可以制作出像骨头这样的图像，而不会对它们造成伤害。虽然它们有很小的概率会导致生殖器官和甲状腺等组织发生基因突变，这就是为什么通常会使用铅围裙来阻挡它们。
当X射线与物质相互作用时，它们与电子碰撞，有时X射线将其所有能量转移给物质并被吸收，有时只转移部分能量，其余部分被散射。这些结果的频率取决于X射线可能撞击的电子数，如果材料密度大或由高原子序数元素制成，则碰撞更有可能发生，这意味着有更多的电子。骨头密集且富含钙，钙的原子序数相对较高，因此它们很好地吸收X射线。另一方面，软组织不那么密集，主要包含低原子序数元素，如碳、氢和氧，因此更多的X射线穿透肺和肌肉组织，使胶片变黑。
然而，这些二维图像只有一定的用处，当X射线穿过身体时，它们可以与沿途的许多原子相互作用，记录在胶片上的反映了所有这些相互作用的总和。
要想看到真正的情况，你需要从身体的许多角度进行X光视图，并用它们构建一个内部图像，这是医生经常做的一项工作，称为CT扫描。另一个诺贝尔奖获奖的发明。
把CT想象成这样，只有一张X光片，你可能能够看到患者身上由于实性肿瘤而引起的密度变化，但你不会知道它有多深，位于表面下多少。然而，如果你从多个角度拍摄X光，你应该能够找到肿瘤的位置和形状。CT扫描通过向患者发送一束或锥形X射线并将其传输到一系列探测器中工作。X射线束在患者周围旋转，并经常向下移动患者的身体，X射线源沿着螺旋轨迹追踪。螺旋CT扫描产生的数据可以处理成足够详细的横截面，以便发现解剖特征、肿瘤、血栓和感染等。CT扫描甚至可以检测到埋藏数千年的木乃伊中的心脏病和龋齿。
最初是伦琴的意外发现，现在已经成为一项医学奇迹。全球每年进行超过1亿次扫描，以治疗疾病和挽救生命。
124年前（1895年11月），一位德国物理学家在做光电实验时，为了防止紫外线和可见光的影响，不使管内的可见光漏出管外，用黑色硬纸板把放电管严密封好，在接上高压电流进行实验时，他发现1米以外的一个涂有氰化铂酸钡的荧光屏发出微弱的浅绿色闪光，一切断电源闪光就立即消失，这一发现使他十分惊奇。他确信，这是迄今为止尚未被观察过的新奇现象。
在研究这一现象一个多月之后（1895年12月），他说服他的妻子充当实验对象，把她的手放到了荧光屏上，荧光屏上显示出了妻子的骨骼和戒指，妻子吃惊的说：看到了自己的死亡。
这位物理学家叫做威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen），他的妻子安娜·柏莎（Anna Bertha）则成为了地球上第一个拍X光片的人。
在伦琴夫人拍X照片一周后，伦琴将这一发现的以通报的形式向维尔茨堡物理学医学协会汇报，题目为《一种新的射线，初步报告》，在通报中，伦琴将这一射线命名为X，因为他对这种射线也不太了解。
第二年年初（1896年），伦琴将这一发现公之于众，并且在他的研究所举行了第一次也是唯一的一次公开报告会，在报告会上，伦琴请求用X射线拍摄维尔茨堡大学著名解剖学家克利克尔(Köllicker)的一只手，克利克尔欣然地同意了这个请求，过了片刻，拍好的干板经过显影以后显示出一位八十岁老人形状优美的手骨，这时全场响起了暴风雨般的掌声，克利克尔建议把这种射线命名为"伦琴射线"。这是一项引起巨大轰动的发现，关于X射线的研究也迅速展开。仅仅几个月，X射线便已经开始应用于临床医学：
伦敦的一位医生依靠X射线取出了一位妇女手软组织中的一根缝衣针。
并且人们发现身体的任何部位、组织、器官都可以用X射线进行显影并发现异常。
1896年4月，李鸿章在日本签署了马关条约。在日本谈判期间，他被日本浪人打伤，面部中枪，左眼眼眶下子弹并未取出，他机智的以这次受伤为砝码，降低了清政府的赔款额度。
同年6月他到德国与俾斯麦将军会面，说起受伤一事，俾斯麦热情邀请李鸿章参观X射线机，并拍摄了自己的颅骨照片，照片中留在他左眼眶下面的子弹清晰可见。李鸿章十分惊奇，称其为"照骨术"。
此次道出柏灵，知有操朗德根之术者，乃延摄其面影；即见枪子一颗，存于左目之下，纤毫毕现。
X射线从发现到应用，仅仅用了不到半年的时间，所有人都在谈论、研究和开发它的更多用途，却没人考虑过它的危害性。
1896年5月，美国的大发明家爱迪生，在纽约举行的全国电器博览会上展出了4台便携式X光设备，有成百人排起长队，只为亲眼看看自己的骨头。
这是个1米多高的机柜，下面安着X光发射管，把新鞋轮廓和其中的脚指骨投射到顶部荧光屏上。买主、店员和家长便分别从3个孔中同时观察和讨论。
1904年，美国大发明家爱迪生的助手达利因长期暴露在X光照射中，出现手部脸部伤害，后因癌变导致右手4个指头和整个左手截肢，此后又截掉两只胳臂，最终于10月份死去，年仅39岁。
1908年，德国第一位X光专家勋伯格的双手患了皮肤癌，后截掉了右手中指和左臂膀，1921年6月4日，勋伯格在汉堡去世，终年56岁，他成为早期德国医学界最重要的"X光烈士"。
英国医生爱德华兹1896年1月率先用X射线指导手术，1900年布尔战争期间便对伤员进行X光探测，并第一个拍摄了人类脊柱X光照片。
费城医院伦琴实验室主任卡萨比安最早将X光用于临床外科，1900年根据亲自诊治的数千病例出版了X光专著，1907年写成教科书《伦琴射线和电疗法》，但不久便癌症发作而截除手指，1910年去世。
1925年，第一届国际放射学大会在伦敦召开，首次提出X射线的防护问题。
1928年斯德哥尔摩召开的第二届大会上成立了防护委员会，并制定出最早的X射线操作规范。
随着防护措施的日趋严格和X射线设备的迅速改进，医疗中的X射线灾难终于成为历史。
在德国汉堡圣乔治医院花园里，静静伫立着一座X射线的纪念碑，它是德国伦琴射线学会1936年4月4日建成揭幕的，为了缅怀和哀悼世界最早的X光事业献身者。石碑上按字母顺序，铭刻着15个国家160位科学家、医生、护士和技师的名字，此后又不断增补到350人。而从1895年到1936年因为滥用X射线死亡或者是得病的人不下几十万人！
从发现X射线到人类弄清楚其对人体的危害并盖棺定论，整整用了40多年时间！
在这40多年的时间里面有聪明如爱迪生的科学巨擎，也有物理学专家和医学专家，更有社会各层精英人士，他们一度都是X射线的支持者。他们付出了巨大的代价。
凭借这些探索者们用生命换来的知识与经验，现在的X射线，已经在规范、安全的防护下应用到了多个方面：医学诊断、行李检查、工业无损探伤、考古发掘，太空研究等。
一起交流
分享你的思考，让讨论更进一步。