X線
議論
導入
電磁波
逆光電効果
歴史
X線は、1895年にドイツの物理学者ヴィルヘルム・レントゲン（レントゲンとも表記される）によって発見されました。 レントゲン博士は、1901年にノーベル物理学賞を受賞しています。 ヴュルツベルク物理医学協会会長のアルベルト・フォン・コリカーは、この画像を作るために彼の手を使い、この新しい形の放射線を「レントゲン線」と呼ぶことを提案しました。 レントゲンは別の考えを持っていた。
したがって、ある種の薬剤は、紫外線、太陽光、アーク灯に対してかなり不透明な黒いボール紙を透過することができることがわかる。 そこで、同じ薬剤で他の物体をどこまで透過させることができるかを調べてみると面白いことがわかります。 どのような物体も同じ透明性を持っているが、その程度は非常に異なることが容易にわかる。 例えば、紙は非常に透明である。千ページの本の後ろに蛍光スクリーンを置いても光るし、プリンターのインクには顕著な抵抗はない……。 厚さ15mmのアルミニウム板は、X線（ここでは簡潔のために光線と呼ぶことにする）を透過させるが、蛍光は大幅に減少させる。 同じような厚さのガラス板でも、鉛ガラスは鉛を含まないガラスよりもずっと不透明である……。 もし手を蛍光スクリーンの前にかざせば、影は骨を暗く示し、周囲の組織の輪郭がかすかに見えるだけである」
Wilhelm Röntgen, 1895
Röntgenは常にxを大文字にしていたようであるが、光線には意図的に誰かの名前や何かの名前をつけていないので、私は小文字で使いたい」
警告：自宅でこれを試さないようにしましょう。 どこでも試さないでください！
目の網膜はこれらの光線に対してかなり鈍感です：装置の近くに置かれた目には何も見えません。 これは、目の構造の一部に透過性がないためでないことは、実験から明らかである
Wilhelm Röntgen, 1895
1912: ワルター・フリードリッヒとポール・クニッピングが閃亜鉛鉱でX線を回折
1912: Max von Laueが格子状の固体を用いてX線を回折することを提案する
1913: ウィリアム・ブラッグとローレンス・ブラッグが、X線を強く反射させるためのブラッグ条件を解明する
1922: アーサー・コンプトン、電子によるX線光子散乱を研究
Roentgen/Gas-Filled Tubes
初期のX線管は、低圧の空気（または部分真空）で満たされていました… 陰極、陽極、および反陰極です。
 出典 bulbcollector.com a.k.a. kilocat |
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Coolidge/Vacuum Tubes
現在使われているほとんどのX線管は真空で「満たされて」います。 この「まったく新しいタイプの」X線管は、1913年にアメリカの電気技師クーリッジ（William Coolidge, 1873-1975）により発明されました。 この年、クーリッジはタングステン（導電性のない金属）から細いワイヤーを作る技術を開発した。 1913年以降に製造された白熱電球のほとんどに、クーリッジの製法で作られたタングステンフィラメントが使われている。 電球の研究が終わると、彼はX線管に目を向けました。 どうでしょう。
典型的な真空X線管では、電子は加熱された陰極から大きな電位差によって金属陽極に向かって加速されます。 フィラメントの温度を変えると電子の流れが変わり、高温の陰極は低温の陰極より多くの電子を放出します。 これにより、X線ビームの強さや明るさが決まります。 電子1個が陽極に当たるとX線光子1個が発生するので、電子が多く飛ぶとX線光子も多く出ることになります。
陰極は、約2000℃（白熱）に加熱されたワイヤー（通常はタングステン）のコイル状フィラメントです。 熱電子放射により電子を放出する。 ある意味で、電子は金属表面から「沸騰」するのですが、出て行った電子は常に新しい電子と入れ替わるので、奇妙な沸騰の仕方をしています。 例えば、自宅のコンロに水を入れて沸騰させた後、1〜2時間台所を離れると、戻ってきたときには鍋が空になっていることが多い（しかも、ジュワッと熱くなっている）。 陰極の電子では、このようなことは起こりません。 出て行った電子は、必ず新しい電子と入れ替わる。 そうしないと、正電荷を帯びたイオンの集合体（最終的には裸の原子核）になり、お互いの反発で必ずバラバラになってしまう。 X線管は回路素子です。
陽極は比較的巨大な銅のヒートシンクで、そのターゲット面を斜めにカットし、他の金属（通常はプラチナ）でコーティングしています。 電子に与えられた運動エネルギーの99％以上が陽極で熱に変換される。 残りの1％は制動放射（有用なX線）として放出される。 この熱を移動させなければ、ターゲットは溶けてしまう。 そこでクーリッジは、小型のモーターでターゲットを回転させることにした。 これなら、陽極にダメージを与えるほど長い間、高温部分が一カ所に留まることはない。 (ターゲットは斜めにカットされ、放出されるX線が入射電子と異なる角度で表面から飛び出すようになっている。 45°にカットすると、X線は管の軸に垂直に飛び出す。 このページに掲載されているX線管の写真は、すべてこの角度でターゲットを合わせています。 (
 クーリッジの1913年の特許出願にある「全く新しい種類の」X線管の模式図です。 現代のX線管は、ほぼすべてクーリッジ管のバリエーションである。 Source: US Patent & Trademark Office |
 歯科で使用されるタイプの真空X線管。 出典：bulbcollector.com |
characteristic vs. bremsstrahlung (braking) spectra.
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brems （制動・減速） + strahlung （放射線）
- 冷たい純金属（a）ではすべての電子はフェルミエネルギーレベル以下である。 熱エネルギーによって電子は真空中で空間雲を形成し（b）、電界をかけることで電子は陽極に集められるが、それ以外の場合は金属内外の電子の間で平衡が成立している。 タングステン線は、溶融（3680K）と蒸発のための高温を利用して、ほとんどのX線管、電子顕微鏡、電子マイクロプローブで使用されている。 従来のX線管では、線材は約1cm×1mmのコイル状で、ターゲットをゆっくりと汚染するW原子の蒸発を最小限に抑えるように温度が調整されている。 加速電圧を加えない限り、高温のフィラメントからは、金属表面付近に電子の空間電荷が形成されるため、放出電流はない。 飽和電流は、金属を真空管の陰極として使用し、電子を陽極に集めて空間電荷を消滅させることで測定される。 従来のX線管では、フィラメント電圧（加熱用）とカソードとアノード間の加速電圧を調整することにより、十分な安定性が得られる。 第一は、高速の電子が原子核の電界に入ると、急激に減速することである。 このとき、電子は偏向し、X線の光子を放出する。 このタイプのX線は、しばしば制動放射と呼ばれる。
X線は、X線管に限らず、高速で移動する電子が減速されるたびに生成されます。 自然に発生するX線源は、ほぼすべて地球外のものです。 (宇宙から来た異星人によって作られたという意味ではありません。 地球外という意味です)。 X線は、太陽風が地球の磁場によってバンアレン放射線帯に捕捉されるときに発生します。 X線の発生源として重要なのは、ブラックホールです。 ブラックホールに落ちた物質は、ブラックホールの強い磁場によって極端な加速を受ける。 しかし、ブラックホールに落ちると、粒子同士がぶつかり合い、放射線を発生させることになります。 荷電粒子が経験する非弾性衝突は、それぞれ光子の放出につながる。 この衝突は高速で起こるので、放出される光子のエネルギーは、電磁スペクトルのX線領域に見られるようなオーダーになる。
- X線が発生する第二のメカニズムは、原子軌道間の電子の遷移によるものである。 このような遷移は、外側の軌道から内側の軌道の空孔に電子を移動させることを意味します。 このとき、電子は遷移の始まりと終わりのエネルギー状態の違いから、離散的なエネルギーを持つX線光子を放出する。
第三の機構は放射光によるもので、1944年にロシアのイワネンコとポメランシュクが予言し、3年後に偶然にもシンクロトロン型の閉環式加速器で観測されました。 放射光は加速器の中で磁気制動放射として発生し、加速器の最終的な必要エネルギーを不本意に制限してしまうため、長い間「廃棄物」と見なされていたのである。 その数年後の1956年、TomboulianとHartmannによって、放射光は科学的調査に特に利用されるようになった。
放射光は、（磁場を通過する際に起こるような）曲がった経路上を進む荷電粒子によって放射される。 すべての電磁波の発生源は電荷の加速度であるため、放射光は求心加速度によって発生する電磁波の一例です(接線加速度によって発生する制動放射とは対照的です)。 この放射線の波長は、荷電粒子のエネルギーと荷電粒子を曲げる磁場の強さの関数である。 放射線のスペクトルは連続的で、臨界波長によって、スペクトルが等しいパワーを持つ2つの部分（臨界波長以上とそれ以下の半分のパワーが放射される）に分割される特徴がある。
臨界波長は以下の式で求められます。
| λc = | 4π | E03 | |
| 3 | cBE2 |
この式は、荷電粒子が電子の場合
| λc = | 1.1 に帰結する。86453 |
| BE2 |
放射光源：リング、アンジュレータ、ウィグラー、国立放射光源は、電磁波の主要形態として光を生成しない。
- 1945年、シンクロトロンは高エネルギー物理学の最新の加速器として提案され、粒子、この場合は電子を、当時の粒子加速器であったサイクロトロンよりも高いエネルギーに押し上げるように設計されました。 加速器は、電子のような静止した荷電粒子を、光速に近い速度まで加速するものである。 荷電粒子は磁石によって円形の蓄積リングを周回させられながら、電磁波を放出し、その結果、エネルギーを失う。 3587>
シンクロトロン放射光は粒子加速器では加速される粒子からエネルギーを吸い取るので厄介ですが、高エネルギー電磁放射の理想的な発生源となります。
- シンクロトロン放射光は、電気代を喜んで払い、24時間働く理由があれば、何時間も、もしかしたら何日も発生させることができるかもしれません。 X線管は数秒から数分しか作動しません。あまり長く作動させると、電球のように燃え尽きてしまいます。
- 放射光は「組織化」されており、ビームは高度に偏光（ほとんどの波が同じ平面で振動）し、平行（ほとんどの波が同じ方向）になっています。 放射光源は「X線レーザー」、X線管は「X線投光照明」のようなものです。
- 放射光は「共有」することができます。 大型のシンクロトロンでは50本以上のビームラインがあり、1年間に数千はいかないまでも数百の実験が行われることがある。
- ウィグラーやアンジュレーター（挿入光源としても知られる）は、偏向磁石からの放射光よりもかなり明るい放射光を発生させる。 この装置では、電子の進行方向と直交する極性の磁場を交互に発生させることで、電子を曲線ではなく正弦波状の軌道に乗せることができる。 ウィグラーを使うと、電子ビームが発する光の明るさが、電子ビームが受ける全振動の数のほぼ2倍となる。
photon momentum
マックス・プランクはフォトンがエネルギーを持つことを発見しました。
E2 = p2c2 + m2c4
フォトンは質量がないので、この方程式は…
E = pc
プランクとアインシュタインを組み合わせると…（彼ら自身ではなく、彼らの方程式）。
hf = pc
運動量を解く…
| p = | hf |
| c |
思い出してください……。
| λ = | c |
| f |
したがって……。
| p = | h |
| λ |
もしプランクとアインシュタインの言う通りなら、光子にも運動量があることになります。 今必要なのは、これを支持または反証する実験的証拠です。 (心配しないでください、誰も反論しませんよ。)
compton effect
Arthur Compton (1892-1962) United States
| ∆λ = | 2h | sin2 | θ |
| メック | 2 |
テクノロジー
シャドウグラフ
コンピュータ断層撮影（CT）
x-…線散乱
X線回折
蛍光X線