愛未知，不愛無知。愛穿透，也愛相干衍射。愛繽紛斑點，更愛多姿底片。不是微波，不是可見光，也不是粒子流，我是X先生。我沒什么強大，我很強大。我和X戰(zhàn)警不一樣，我和你一樣，請叫我X-Ray。哦，對的！X，代表未知數(shù)的X，因為X=？意味著一個有無限未知解的方程；X，代表神秘莫測的X，一群有著金剛刀、風暴眼、移形換影術(shù)等強大特異功能的變種人——X戰(zhàn)警，潛伏在正常人的身邊。我，就是潛伏在自然界中的X。我在哪里，清晰的視界就在哪里。你看不見我，但我可以透視你。甚至，在你毫無知覺情況下輕松穿過你的身體。我，就是神秘的X射線。

我的家族叫做電磁波，我們靠電磁場交互感應(yīng)傳播能量，即使在什么也沒有的真空，也可以光速暢行無阻。你看不見我，是因為相比我的可見光兄弟而言，我的波長要短的多。他們（可見光）波長一般在0.4~0.7微米（1微米=千分之一米）之間，而我（X射線）在0.01~1納米（1納米=十億分之一米）之內(nèi)。如果波長在0.1~1納米，請叫我軟X射線；如果波長在0.01~0.1納米，請叫我硬X射線；如果波長小于0.01納米，那我就是超硬X射線；波長再短一點的話，那是我的弟弟伽馬射線（來自于原子核衰變），另一頭波長長一點點的樓下是哥哥紫外線。我們都屬于輻射，但我很特別。我的特別在于我的波長很短，短到了原子量級，為此我可以看到原子們是如何排列組合在一起的；我的特別還在于我的能量也很高，因此我穿透本領(lǐng)很強，黑紙、木料和布料都不能阻擋我的前行。好在我的能量不是特別之高，我可以“透視”有機生命體而不損害他們，雖然被我照射太久容易患上癌癥，但我同樣也可以殺死惡性腫瘤治療癌癥，我是把雙刃劍。我誕生于原子內(nèi)層，內(nèi)層電子躍遷釋放出的能量就是射線形式的我，高能量、短波長的我。我不帶電，我是波，我可以衍射也可以干涉，我是純輻射。

我存在宇宙中已經(jīng)很多年，但被人類認識卻僅有百余年?？唆斂怂埂⒑掌潯⑻厮估?、愛迪生、勞厄、倫琴等等物理學(xué)家都研究過我。起初，在加上電壓的真空管里陰極端希托夫看到過我把玻璃管壁弄出了熒光，于是人們叫我“陰極射線”（其實我走的是中性路線，喜歡陰柔的家伙是電子，不是我）。克魯克斯發(fā)明了有高壓電極的玻璃真空管，也看到了被我感光的照片底片。遺憾的是，他對我沒有興趣，沒有繼續(xù)研究下去。特斯拉擺弄克魯克斯管的 時候，看到了我的連續(xù)體——高速電子受靶極阻擋而產(chǎn)生連續(xù)輻射，又叫做軔致輻射?？珊薜氖牵私o我取個名字，還提醒人們我對人體有傷害。赫茲在驗證電磁波存在的實驗中，也曾發(fā)現(xiàn)我有能力穿過金屬箔，不過他更喜歡籠統(tǒng)叫我們電磁波。終于到了1895年，屬于我的時代來臨了。威廉？康拉德？倫琴，我的發(fā)現(xiàn)者和命名者，忘我地在一個寂靜的周五夜晚工作。他驚訝地發(fā)現(xiàn)，所謂的“陰極射線”可以讓有氰亞鉑酸鋇涂層的屏幕發(fā)光，而包裹嚴實的照相底片也被該射線穿透致曝光了。這種強大的穿透能力那怕是面對15毫米厚的鋁板也不在話下，只有鉛板和鉑板才能阻擋。倫琴的妻子安娜？倫琴見丈夫深夜還在工作，于是過來看他。倫琴給妻子變了個魔術(shù)，他讓安娜按住照相底片用這種未知的射線拍了第一張人體照片。底片上顯影出來的是手掌里的骨頭，還有象征他們愛情的結(jié)婚戒指。這意味著，不需要通過解剖就可以清楚地看到人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，從此醫(yī)生多了一副強大的眼鏡，可以透過皮肉看到骨骼看到體內(nèi)是否有病變。倫琴興奮地把這種“未知”射線命名為“X射線”，因為X代表未知數(shù)。從此，我有了名字，我的名字含義是“未知”。1895年12月，倫琴在Physical-Medical Society 雜志上發(fā)表了第一篇關(guān)于X射線的論文。之后，引發(fā)了科學(xué)界對射線研究的一輪熱潮，在短短一年里發(fā)表的關(guān)于X射線研究的論文就有一千多篇。其中有一位叫貝克勒爾的家伙，發(fā)現(xiàn)了更多的射線，我的兄弟阿爾法射線、伽馬射線和貝塔射線們相繼被人們所認識。而居里夫人和他的丈夫從自然界提取了鐳和釙，發(fā)現(xiàn)了天然放射性。以此為基礎(chǔ)，盧瑟福用加速粒子轟擊原子，發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，用新的理念打開了人們對微觀世界研究的大門。這些人，都是諾貝爾獎獲得者，不愧為頂尖的物理學(xué)家。而倫琴，我的發(fā)現(xiàn)者，是第一屆（1901年）諾貝爾物理學(xué)獎。他有些很低調(diào)，有人非要改稱我為“倫琴射線”，也有人要出高價購買X射線技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)（僅在X射線發(fā)現(xiàn)后四天，美國醫(yī)生就用它找到了病人腿上的子彈），然而倫琴卻淡淡一笑道：“我的發(fā)現(xiàn)屬于全人類?！眰惽倬芙^了巴伐利亞貴族院給他的貴族稱號，也全額捐出了諾貝爾獎金，沒有去申請X射線的專利權(quán)。愛迪生為此深受感動，他的發(fā)明工廠配合X射線接受發(fā)明了一種極好的熒光屏，使得X射線技術(shù)更為廉價和方便，這項發(fā)明愛迪生也沒有申請專利權(quán)。此外，在發(fā)現(xiàn)我的光芒之下，倫琴還有許多重要的物理研究工作，如對電介質(zhì)在充電的電容器中運動時的磁效應(yīng)、氣體的比熱容、晶體的導(dǎo)熱性、熱釋電和壓電現(xiàn)象、光的偏振面在氣體中的旋轉(zhuǎn)、光與電的 關(guān)系、物質(zhì)的彈性、毛細現(xiàn)象等。1923年 2月10日，倫琴在慕尼黑去世，他為全人類留下了一筆無盡的財富。


要制造我并不難。你需要一個真空密封的玻璃管，一端是燈絲狀的陽極，一端是平板金屬做的陰極。兩端加上高電壓，就會發(fā)生高速電子撞擊到金屬平板靶上。電子能量足夠高就可以把金屬內(nèi)部的電子打出來而在原子內(nèi)層軌道留下空穴，外層電子躍遷回到內(nèi)層填補空穴的同時就會放出輻射——也就是X射線我。由于高速電子撞擊金屬靶會發(fā)熱，所以金屬靶一端需要用水來冷卻。早期的X射線管體積較大也容易碎，現(xiàn)代的X射線管已經(jīng)精簡到一根圓珠筆的長度了。入射電子能量較低時，可以產(chǎn)生與靶材無光的連續(xù)光譜X射線輻射——軔致輻射，而不同內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的離散輻射譜則重疊在連續(xù)譜背景上形成特征輻射——X射線標識譜。每個元素都有獨特電子排布方式，因此也具有獨特的一套X射線標識譜，通過測量靶材的標識譜就可以得到靶材含有元素的信息。現(xiàn)代的X射線儀器中的光源已經(jīng)大大改進，功率也大為提高。根據(jù)麥克斯韋方程組可以推出，自由電子在高速運動過程中若改變運動方向則會同時輻射電磁波，這類在同步加速器上發(fā)現(xiàn)的輻射被稱為同步輻射。同步輻射光源具有強度高、連續(xù)性好、光束準直好、光束截面積極小并具有時間脈波性與偏振性等諸多優(yōu)勢，是目前光譜學(xué)研究的最佳光源之一，X射線也屬于這類光源其中一小段波長區(qū)間。中國在上海也建設(shè)了居于世界先進水平的同步輻射光源——上海光源，目前一些束線站已經(jīng)投入使用。

自從我被人類發(fā)現(xiàn)以來就備受關(guān)注，然而我的用武之地不僅僅限于拍攝“透視”的X光片。真正將我的功用發(fā)揚光大的科學(xué)家，是勞厄和布拉格父子。德國科學(xué)家勞厄先后就讀于斯特拉斯堡、格丁根、慕尼黑和柏林等幾所大學(xué)，聆聽過諸如希爾伯特和普朗克等大師的課程。在慕尼黑大學(xué)，勞厄和索莫菲的學(xué)生開展了關(guān)于X射線的研究。因為X射線能夠用于拍攝木頭里的釘子或是手掌里的骨頭，許多科學(xué)家認為我應(yīng)該屬于一種特殊的光線，也就波的一種。但要證明我的波動性，就必須有衍射和干涉等性質(zhì)，由于我的波長只是可見光的千分之一，要靠人工制作相當于如此尺寸的光柵是不可能的。聰明過人的勞厄意識到，自然界中晶體內(nèi)部原子就是規(guī)則排列的，如果晶體中原子間隙合適，就可以作為X射線的光柵。只是因為晶體里存在許多層原子，等同于許多層光柵的疊加，這將使得衍射的圖樣非常復(fù)雜。盡管這個想法受到老板索莫菲的嘲笑，但勞厄他們還是在1912年成功做了這個實驗。他們將垂直于晶軸切割的硫化鋅平行晶片放在 X射線源和照相底片之間，果然發(fā)現(xiàn)照相底片上出現(xiàn)規(guī)則排列的衍射斑點。這項偉大的發(fā)現(xiàn)證實了我的波動性，同時提供了一種更為強大的實驗工具——利用固定波長的X射線可以探測晶體內(nèi)部原子排布情況，人們從此可以“看到”晶體中原子的排列。不過要從復(fù)雜的晶體衍射斑點推演出晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻不是件容易的事情。亨利？布拉格（父）和勞倫斯？布拉格（子）為此做出數(shù)學(xué)上的精巧推導(dǎo)，他們發(fā)現(xiàn)如果把有序排布的原子層當做光柵，那么不同原子層之間的入射和反射的光程差就會和原子層的間距直接相關(guān)，當光程差為入射波的整數(shù)倍時，出射光就不會因干涉而被消光從而形成衍射斑點。據(jù)此他們推導(dǎo)出了布拉格方程2dsin =n 。利用這么簡潔的一個數(shù)學(xué)模型工具，布拉格父子從已有的氯化鈉的晶體結(jié)構(gòu)模型——面心立方型柵格離子晶體完美解釋了X射線衍射斑點的分布。在氯化鈉晶體中，每個鈉離子被六個等距離的氯離子包圍，每個氯離子被六個等距離的鈉離子包圍，而不存在單獨的氯化鈉“分子”。這一發(fā)現(xiàn)震驚了理論化學(xué)界，并立即引起了人們對巖鹽在溶液中行為的思考。他們隨后又解出了金剛石的結(jié)構(gòu)是碳原子組成的正四面體構(gòu)成。進一步的實驗證實，晶體的X射線衍射花樣與晶體中原子的空間排布互為傅里葉變換關(guān)系。勞厄和布拉格父子對X射線的研究誕生了一門新的技術(shù)——X射線衍射技術(shù)，它使得材料內(nèi)部的原子排布不再神秘——所有的材料在我的強大照射下，都是可以“看穿”的。1915年，勞厄、老布拉格和小布拉格一起站到了諾貝爾物理學(xué)獎的領(lǐng)獎臺上，分享這一偉大的殊榮。
說完了我的歷史故事，該說說我的強大能力是什么了。 能力一：晶體結(jié)構(gòu)分析。我的波長在0.01~1納米之間，這正好相當于原子的大小以及固體中原子的間距。我的波長和電子的波長相當，不同的是，電子具有靜止質(zhì)量而我沒有。那么當我入射到固體材料中是，里面的大量電子將把我散射出來，每個原子里的電子對我的散射形成疊加就相當于原子對我的散射，而每層規(guī)則排列的原子對我的散射疊加就相當于原子平面對我的反射。根據(jù)布拉格方程，對于特定波長的入射光，只會在某些角度有特定的出射光，這些角度對應(yīng)著不同特征原子層間距，通過標示出這些原子層就可以推導(dǎo)出晶體中可能的原子排列方式。對于單晶材料（固體的內(nèi)部原子在三維空間具有同一周期性規(guī)則的長程有序排列，即整個三維空間點陣為一套空間格子），我可以在底片上留下規(guī)則的衍射斑點，采用傅里葉變換就可以得到原子的排列方式。改換不同的入射和出射方向，就可以得知晶體內(nèi)部原子的三維空間排布方式；對于多晶材料（由諸多取向不同的小顆粒單晶組成），則可以測量不同衍射角下出射峰并推斷其屬于哪個原子層，不同的材料將有自己獨特的一套衍射峰分布。如果建立一套多晶衍射數(shù)據(jù)庫，里面有各種晶體結(jié)構(gòu)的標準衍射數(shù)據(jù)，那么通過核對就可以輕松推斷出晶體中的原子排布結(jié)構(gòu)。這套衍射數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在被稱為“粉末X射線衍射卡片庫”（PCPDF軟件），是材料學(xué)研究中最重要的數(shù)據(jù)庫之一。如DNA復(fù)雜的雙螺旋結(jié)構(gòu)，正是通過X射線衍射研究清楚的。

能力二：元素成分分析。X射線管內(nèi)靶材可以發(fā)射和靶材料有關(guān)的一系列特征譜——X射線標識譜，不同的元素具有各自獨特的核外電子排布，因此就會有一系列獨特的X射線標識譜。如果把需要研究的材料當做靶材，用高能電子去轟擊它就可以得到許多套標識譜，通過標示這些譜線就可以分析出材料中含有的元素成分。而通過譜權(quán)重（即特征譜線的面積）的分析就可以大致得出材料中元素的原子配比。類似的原理，我們還可以對離子晶體中離子的化學(xué)價態(tài)進行分析。通過一系列的分析，我們就可以得出新材料的元素組成和原子排布方式，從微觀上探測清楚材料的性質(zhì)。

能力三：有機物的動力學(xué)過程觀測。對于長程有序的晶體材料，X射線可以給出離散的衍射點分布，而對于短程有序的有機生物大分子，X射線給出的是一些規(guī)律分布的衍射斑。一些生物大分子在外加條件如溫度、電場、磁場等環(huán)境改變時會形成不同的排列方式，而通過觀測它們的X射線衍射斑就可以知道這些過程是如何發(fā)生的。能力四：固體材料中微觀動力學(xué)研究。如果出射X射線和入射X射線能量存在變化，那就意味著X射線在材料中吸收或者失去了一定的能量。損失X射線的能量尺度正好相當于固體材料中原子-原子相互作用、原子-電子相互作用、電子-電子相互作用這些作用力的能量，那么通過測量不同能量損失的X射線分布，就可以認識材料中微觀動力學(xué)過程。這些研究將促進對材料的力、熱、光、電磁等性質(zhì)的物理機制的理解。

能力五：生物透視與人體透視。由于我的強大能量，可以輕松穿透一些材料，那就可以無損傷探測生命體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如研究動物的骨骼分布，探測植物的生長情況等等。在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用就是醫(yī)學(xué)影像學(xué)，通過X射線照射拍出的底片，可以看出體內(nèi)病變的地方，可以看到胎兒在母親體內(nèi)的位置。借助計算機，還可以把不同角度的X射線影像合成成三維圖像，這就是所謂電腦斷層掃描（CT掃描）。在機場等地方的安檢臺其實就是一個X射線儀。由于X射線畢竟是高能輻射的一種，長期大劑量的輻射會影響人體的健康，故如今英美國家推廣的全身安檢掃描儀實際上是太赫茲射線掃描儀，它可以清晰地看到你身上密度較大的地方，一些金屬材料如槍支彈藥刀具等等就無處藏身了。X射線的透視功能還可以用于工業(yè)探傷，即在不破壞加工出來的零件前提下，探測內(nèi)部是否存在加工缺陷。不過對于金屬材料零件，則需要能量更高的伽馬射線。

能力六：考古和宇宙學(xué)研究。X射線還可以用于考古，它可以不破壞棺木的前提下掃面木乃伊的形態(tài)，也可以研究油畫的創(chuàng)作過程。如圖中卡拉瓦喬在17世紀代表作“牧羊人的朝拜”X射線照片，就可以看出作者在繪畫過程中做的任何改動。我們宇宙起源于135億年前的一次“大爆炸”，而宇宙中許多強烈的天文現(xiàn)象都會發(fā)出X射線，圖中給出了美國宇航局“愛因斯坦”望遠鏡拍攝的一張X射線照片。X射線天文望遠鏡可以看到恒星如何被黑洞絞碎，星系間的碰撞，超新星和中子星的誕生等等過程。除此之外，我——X射線還具有許多應(yīng)用，在此就不一一介紹了。

在結(jié)束我的自傳之前，我非常樂意跟你一起分享人們“拍”的一些“X射線藝術(shù)照”。需要聲明的是，這些并不是實物拍攝的X光照片，只是藝術(shù)加工出來的虛構(gòu)照片，所以請你不要太較真。在這些“給力”的藝術(shù)照里：Linux企鵝有著一副類人的骨架，米老鼠帶著她的大耳朵，卡通“外星人”的腦殼里其實是個小腦子，鍵盤里是復(fù)雜的電子元件，高跟鞋里是嚴重畸形的腳后跟，寫字樓里到處都是忙碌的人們，洗澡的女人和抽煙的男人都被“暴露無遺”，性感的女模也不過是一副副“白骨精”，彩色X射線人體藝術(shù)更是豐富地展示了女模的“內(nèi)在”。這些藝術(shù)照告訴我們，透過浮華的表面看共通的內(nèi)在，展現(xiàn)出來的是另一個全新的世界。