X射线，也叫伦琴射线，是一种高能电磁辐射。一般认为X射线的波长范围从10纳米到10皮米，对应的光子能量范围大约为100电子伏特到100千电子伏特。X射线的波长比紫外线更短，但比γ射线长。

X辐射也被称为伦琴辐射，以纪念其发现者德国科学家威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen, 1845-1923）于1895年11月8日发现它。他将其命名为X射线，代指一种神秘的未知辐射类型。X射线被广泛用于医疗、工程、检测以及天文学领域。由于其光子能量很高，大部分X射线相关的物理现象和应用都需要使用量子理论进行描述。

历史

一般认为最早无意中产生X射线的实验者是被誉为精算学之父的英国科学家威廉·摩根（William Morgan, 1750-1833）。1785年，他向伦敦皇家学会提交了一篇论文，描述了通过部分抽真空的玻璃管中通过电流产生的发光效应，其实是由当时还未发现的X射线产生的。这项工作后来由英国科学家亨弗莱·戴维爵士（Humphry Davy, 1778-1829）和迈克尔·法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）进一步探索。美国物理学家费尔南多·桑福德（Fernando Sanford, 1854-1948）于1893年发明电子摄影技术时，他也无意中产生并检测到了X射线。1894年，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla, 1856-1943）注意到他实验室中的胶片受损，并开始研究这种看不见的辐射能量。在伦琴发现了X射线之后，特斯拉开始使用自己设计的实验设备制作X射线图像。

1895年11月8日，伦琴在实验时偶然发现了X射线，并开始对其进行研究。他于1895年12月28日提交了一份初步报告《关于一种新型射线的初步通信》，这是第一篇关于X射线的论文。伦琴将这种辐射称为X，表示它是一种未知的辐射类型。许多同行科学家则将其称为伦琴射线，尽管伦琴极力反对以自己的名字命名这种射线。伦琴因发现X射线而获得了首个诺贝尔物理学奖。

伦琴在用X射线拍摄妻子的手时发现了X射线可以透视人体。这张伦琴妻子手的X光照片是使用X射线拍摄的人体部位的第一张照片。当伦琴妻子看到照片时，她说：“我看到了我的死亡。” 伦琴立即意识到X射线可能具有医学应用。在他提交X射线的初步报告时，他还写信给了他在欧洲认识的医生们。苏格兰电气工程师艾伦·阿奇博尔德·坎贝尔-斯温顿（Alan Archibald Campbell-Swinton, 1863-1930）是第二位制作X射线手部照片的人。

X射线的神奇物理特性和透视能力引起了科学家和公众的极大兴趣。仅在1896年就发表了多达49篇论文和1044篇关于新射线的文章。考虑到几乎全球每一份报纸都广泛报道了这一新发现，这可能是一个保守的估计，而《科学》杂志仅在那一年就发表了多达23篇与此相关的文章。不仅如此，包括伦琴在内的数个实验者发现有部分人似乎可以看见X射线，这使得X射线和一些特异功能如透视能力和心灵感应联系在一起。

由于伦琴在去世后销毁了实验室记录，伦琴是如何发现X射线的实验方法和过程变得扑朔迷离。现存的一些纪录和其他同行实验者表明X射线大概是使用某种形式的荧光频幕来检测的。伦琴对X射线视觉和其它相关的研究资料现已佚失，而且由于X射线对人体有明显伤害，现在科学家基于道德考量不再做X射线视觉等相关实验，因此X射线是否和人体一些特异功能有关的研究基本停滞。

在伦琴发现X射线后很短时间就出现了许多X射线的相关应用。首次在临床环境中使用X射线的是英国医学家约翰·霍尔-爱德华兹（John Hall-Edwards,1858-1926），他于1896年1月11日给一个同事拍摄了手中被针扎到的X射线照片。1896年2月14日，霍尔-爱德华兹还首次在一次手术中使用X射线。格鲁吉亚生理学家伊万·罗曼诺维奇·塔尔哈诺夫（ივანე რამაზის ძე თარხნიშვილი, 1846-1908）也在伦琴发现X射线之后的几周内用X射线照射了青蛙和昆虫，得出结论称这些射线不仅能够拍照，还能影响生命功能。1914年，居里夫人（Marie Salomea Skłodowska–Curie, 1867-1934）开发了放射学车辆，用于支持在一战中受伤的士兵。这些车辆可以快速对受伤的士兵进行X射线成像，以便战场外科医生能够迅速且更准确地进行手术。科学家也发现了X射线的危险性。1896年2月，美国化学家威廉·洛夫兰·达德利（William Lofland Dudley, 1859-1914）发现经过X射线检查后出现脱发。之后包括爱迪生实验室的科学家和尼古拉·特斯拉在内的许多实验者报告了X射线导致烧伤的情况。霍尔-爱德华兹则于1904年开始患癌症，当时称为X射线皮肤炎，促使他写论文并公开演讲警示X射线的危险。他于1926年因X射线造成的癌症去世。

X射线在医疗领域以外的应用也很快出现。大约在1906年，英国物理学家查尔斯·巴克拉（Charles Glover Barkla, 1877-1944）发现气体能够散射X射线，并且每个元素具有特征性的X射线谱。他因此发现获得了1917年的诺贝尔物理学奖。1912年，德国物理学家马克斯·冯·劳埃（Max Theodor Felix von Laue, 1879-1960）首次观察到晶体对X射线的衍射，获得了1914年的诺贝尔物理学奖。而英国物理学家威廉·亨利·布拉格爵士（William Henry Bragg, 1862-1942）和其子威廉·劳伦斯·布拉格爵士（William Lawrence Bragg, 1890-1971）则使用X射线研究了晶体结构，催生了X射线晶体学领域并因此获得1915年诺贝尔物理学奖。1913年，英国物理学家亨利·莫斯利（Henry Gwyn Jeffreys Moseley, 1887-1915）用从各种金属发出的X射线进行了晶体学实验，并制定了莫斯利定律，将X射线的频率与金属的原子序数相关联。20世纪50年代发展了X射线显微镜。钱德拉X射线天文台于1999年7月23日发射，发现宇宙在X射线波段下显得非常不安定，包括恒星被黑洞撕裂、星系碰撞、恒星解体以及中子星吸积等现象，而这些宇宙的巨变在可见光波段下则很难察觉。

物理性质

X射线光子具有足够的能量来电离原子并破坏分子键，属于电离辐射，因此对生物组织有害。高剂量的辐射在短时间内会导致辐射病，而较低剂量的辐射则会增加癌症的风险。不过X射线的电离能力也可以在癌症治疗中加以利用，使用放射疗法杀死癌细胞。

硬X射线可以穿过相对较厚的物体而几乎不被吸收或散射。因此，X射线广泛用于成像不透明物体的内部，最常见的应用是医学放射学和机场安全扫描仪等等。X射线的波长比可见光要短得多，可以探测比可见光显微镜更小的结构。这个特性在X射线显微镜中用于获取高分辨率图像，也用于X射线晶体学中确定晶体中的原子位置。

与物质的相互作用

X射线与物质的相互作用主要有光电效应和康普顿散射，两者都是典型的量子物理机制。它们的强度取决于X射线的能量和物质的元素组成，但与化学性质关系不大，因为X射线光子的能量远高于化学键能。对于较低能量的X射线，光电效应是主要的相互作用机制；而对于较高能量的X射线，康普顿散射占主导地位。

光电效应在单位质量内的概率大致与原子序数的立方和入射光子能量的立方成正比。这个规律在靠近内层电子束缚能量时不适用，因为在那里相互作用概率会出现突变，即所谓的吸收边界。被光电效应吸收的光子将其所有能量转移给与之相互作用的电子，从而使电子所结合的原子电离，并产生一个可能在路径上电离更多原子的光电子。外层电子将填补空缺的电子位置，并产生特征X射线。

康普顿散射是X射线光子与外层电子之间的非弹性散射。被散射的光子的部分能量转移给电子从而电离原子。被散射的光子可以沿任意方向传播，但与其被散射之前的方向接近的方向更有可能发生。不同散射角度的概率由克莱因-尼希纳公式描述。能量转移可以通过能量和动量守恒从散射角度直接获得。

X射线视觉与透视功能

伦琴发现X射线之后立刻注意到了X射线的透视能力，这和人的天目具备的透视功能很相似。X射线对肉眼来说确实是不可见的，但是伦琴和其他研究者发现有部分人似乎具有X射线视觉。伦琴曾注意到来自一个X射线管的蓝光，看起来似乎来自眼睛本身。但他当时认为这个观察结果是假的，因为他只在使用一种特定类型的X射线管时看到了这种现象。后来，伦琴意识到产生这种现象的X射线管是他唯一的大功率X射线管，只要功率足够就可以看见X射线，因此这个实验很容易重复。但这种现象只有少数实验者报告过，说明多数人并不能看到X射线。由于伦琴去世后销毁了所有实验纪录，而且X射线对人体伤害巨大，现在学术界早已禁止进行类似的实验。

但是即使不直接使用X射线照射眼睛，确实有人拥有类似X射线透视能力的视觉。例如俄罗斯人娜塔莎·德姆金娜（Ната́лья Никола́евна Де́мкина, 1987-）被认为具有X射线视觉。娜塔莎曾参与多次实验，表明她具有类似X射线的透视能力，可以直接观察人体内部的骨骼和内脏器官，并确定是否有病变。娜塔莎给出的诊断和医院使用X光拍照得出的诊断结果吻合。2004年探索频道曾拍摄纪录片“具有X射线视觉的女孩”，研究人员交给娜塔莎六份X光诊断报告，要求她观察六位患病志愿者以及一位无症状的志愿者，并指出哪一份诊断报告对应哪一位志愿者，或该志愿者并没有患病。娜塔莎成功对应了七人中的四人，包括无症状的志愿者。但研究人员认为娜塔莎至少需要对应五人才能证明她的X射线视觉具有统计意义，因此不相信娜塔莎的X射线视觉是真实的。但是英国剑桥大学诺贝尔物理学奖得主布赖恩·约瑟夫森（Brian David Josephson, 1940-）指出研究人员使用的统计方法有误，最多只能说实验结果不充分而不能推翻X射线视觉。约瑟夫森认为娜塔莎靠运气在七人中能对应出四人的几率仅仅2%，因此实验应当是证实了X射线视觉为真。

事实上中国古代的大医学家，例如扁鹊、华佗等等，都具有透视能力，医书和史书上都有明确记载，尽管当时根本没有X射线的概念。人的天目开了就可以看到肉眼看不到的光并可以有透视能力，类似X射线视觉的能力可能只是天目能力的一小部分。

现代科学中也有其它X射线可见的例子。例如如果X射线的强度足够高，就可以电离空气中的分子，造成的电离现象就是肉眼直接可见的。欧洲同步辐射实验设施的就可以发射足以造成人眼可见的电离现象的高功率X射线束。

常见X射线源

X射线可以通过X射线管产生。X射线管是一种真空管，利用高电压加速由阴极释放的电子到高速。高速电子与金属靶（阳极）碰撞，产生X射线。产生的X射线光子的最大能量受到入射电子的能量限制，因此80千伏的X射线管无法产生大于80千电子伏的X射线能量。

当电子击中靶时，X射线通过两种不同的原子过程产生。一种是特征X射线发射，也叫X射线电致发光。如果电子具有足够的能量，它可以将靶原子内层电子轨道中的一个电子击出。随后，来自较高能级的电子填补空位，并发射X射线光子。这个过程在几个离散频率上产生了X射线的发射谱。通常，这些是从较高的电子层到K层（称为K线）、到L层（称为L线）等的跃迁。如果跃迁是从2p到1s，称为Kα线，如果是从3p到1s，则是Kβ线。这些谱线的频率取决于靶材料，因此被称为特征线。另一种是布莱姆斯辐射，这是电子在高质子数的原子核周围的强电场中散射时发出的辐射。这些X射线具有连续的频谱。布莱姆斯辐射的频率受到入射电子能量的限制。因此，X射线管的输出结果包括一个连续的布莱姆斯辐射频谱和特征X射线谱处的几个尖峰。然而这两种X射线产生过程效率都较低，只有大约百分之一的电能被转化为X射线。X射线管消耗的大部分电功率以热辐射的形式释放。因此要产生实用的X射线，X射线管必须有很好的散热能力。

一种在研究中越来越广泛使用的X射线源是同步辐射，它是由粒子加速器产生的。它的特点是能够获得比X射线管大几个数量级的X射线输出，并具有宽广的X射线谱，优异的准直性和线偏振性。

X射线也可以由高速的质子或其它正离子产生。质子或其它粒子诱导的X射线发射被广泛用作分析。

X射线也会在闪电中产生，并伴随伽马射线。基本机制是在闪电的电场中加速电子，并通过布拉格辐射产生光子。这些光子能量为几千电子伏特和几十兆电子伏特，属于X射线和伽马射线波段。

对人体健康的影响

由于X射线剂量较大，诊断性X射线，主要来自CT扫描，会增加癌症的风险。据估计，美国当前癌症中有0.4%是由过去进行的计算机断层扫描（CT扫描）所致，而根据2007年的CT使用率，这个比例可能增加到1.5-2%。目前科学家估计诊断性X射线辐射会使人的累积癌症风险在75岁时增加0.6-3.0%。吸收的辐射量取决于X射线检查的类型和涉及的身体部位。与普通X射线相比，CT和荧光透视的辐射剂量较高。

自然环境中本身也存在X射线辐射。一般来说，一次普通的胸部X光拍照相当于连续10天的背景辐射量，而一次牙科X射线大约相当于一天的环境背景辐射量。一次这样的X射线检查会使终身癌症风险增加不到百万分之一。然而一次腹部或胸部CT扫描相当于两到三年的背景辐射量，会使癌症风险增加万分之一至千分之一。

辐射对胎儿的风险较大，因此孕妇应该权衡对胎儿的潜在危害。孕妇在进行诊断成像时通常采用超声波，因为超声波不涉及X射线辐射。辐射过多可能对胎儿或母体造成有害影响。避免不必要的X射线，尤其是CT扫描，可以降低辐射剂量和任何相关的癌症风险。

医疗X射线是人为X射线辐射的重要来源。1987年，它们占美国人口总辐射量的10%。然而，到了2006年，美国的医疗程序所产生的电离辐射要多得多，占美国人口总辐射量的近一半。增加可能来自医学成像程序的增长，特别是CT扫描和核医学使用的增加。

应用

透视放射成像

透视放射成像，常称作X光拍照，是使用X射线辐射产生二维图像的应用。由于骨骼含有高浓度的钙，钙的相对较高的原子序数使其能够有效吸收X射线。这减少了骨骼阴影区域中到达探测器的X射线数量，使其在放射图像上清晰可见。由于肺部和被困气体相对组织吸收较低，它们也能清晰显示，而组织类型之间的差异较难观察。

透视放射图像对于检测骨骼系统的病理以及检测一些软组织的疾病过程非常有用。典型例子是常见的胸部X射线，可用于识别肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺水肿，以及腹部X射线，可检测肠梗阻、脏器穿孔引起的气体积聚以及腹水中的游离液体。X射线还可用于检测胆结石或肾结石。牙科X射线成像常用于诊断常见的口腔问题，如蛀牙。

在医学诊断应用中，软X射线，即能量较低的X射线是没用的，因为它们会被身体完全吸收。因此，通常在X射线管的窗口上放置一层薄金属片，称为X射线滤光片，用于吸收X射线光谱中的低能量部分。

CT扫描

计算机断层扫描，即CT扫描，是一种医学成像技术，通过在不同方向上获取多个二维X射线图像，得到特定部位的层析图像或切片。这些横截面图像可以组合成人体内部的三维图像，并用于各种医学领域的诊断和治疗目的。

透视摄影

透视摄影是一种常用的成像技术，由医生或放射治疗师使用荧光屏来实时获取患者内部结构的动态影像。在其最简单的形式中，透视摄影仪由X射线源和荧光屏组成，患者位于两者之间。然而，现代透视摄影仪将荧光屏与X射线图像增强器和CCD视频摄像机相结合，可以将图像记录并在监视器上播放。

放疗

将X射线用作治疗的方法称为放射治疗，简称放疗，广泛用于癌症的治疗。它需要比X光拍照更高的辐射剂量。放疗可以治疗皮肤癌，也可以治疗体内的癌症，如脑部、肺部的肿瘤、前列腺癌和乳腺癌等。但放疗本身对人体伤害非常大，也可能致癌。

X射线晶体学

X射线晶体学是通过X射线通过晶体中紧密排列的原子晶格产生的衍射图案，并记录和分析该图案以揭示晶格的性质的技术。晶体结构会导致入射X射线的光束衍射成许多特定的方向。通过测量这些衍射光束的角度和强度，晶体学家可以得出晶体内电子密度的三维图像。从这个电子密度中，可以确定晶体中原子的平均位置，以及它们之间的化学键、晶体学的无序性以及其他各种信息。

X射线显微镜

X射线显微镜利用X射线频段的电磁辐射来产生物体的放大图像。与可见光不同，X射线不容易反射或折射，并且对人眼是不可见的。因此，X射线显微镜通过曝光胶片或使用探测器来检测通过样本的X射线。

X射线荧光

X射线荧光（XRF）是一种物质受高能X射线或伽玛射线轰击后发射出特征性的荧光X射线的现象。该现象被广泛应用于元素分析和化学分析，特别是在金属、玻璃、陶瓷、建筑材料等领域的研究中，以及地球化学、法医学、考古学和艺术品（如绘画作品）的研究中。

工业射线检测

工业射线检测是一种非破坏性测试的方法，利用电离辐射来检查材料和零部件，目的是定位和量化材料性能的缺陷和退化，这些问题可能导致工程结构的失效。它在确保产品质量和可靠性发挥着重要作用。

艺术作品

对艺术作品进行X射线摄影，通常是对绘画作品进行X射线拍摄，以揭示底层绘画、修补或修复过程中的变化。许多颜料，如白铅，在X射线照片中显示出良好的效果。

工业CT扫描

工业计算机断层（CT）扫描是一种计算机辅助断层成像的过程，通常采用X射线计算机断层扫描技术，利用辐射来生成被扫描对象的三维内部和外部表征。工业CT扫描已广泛应用于工业领域的零部件内部检查。工业CT扫描的一些主要应用包括缺陷检测、失效分析、测量学、装配分析和逆向工程应用。

安全扫描

机场安全行李扫描仪使用X射线检查行李的内部，以检测可能存在的危险物品。边防卡车扫描仪和警察部门也会使用X射线检查卡车的内部以检测违法物品。

X射线天文学

X射线天文学是天文学的一个观测分支，研究天体的X射线辐射。由于X辐射被地球大气吸收，因此必须将用于检测X射线的仪器带到高空，例如使用高空气球、火箭和卫星。X射线天文观测可以看到很多可见光波段难以探测的现象，例如恒星被黑洞撕裂、星系碰撞、恒星解体以及中子星吸积等现象。