“X勇士的自传”诞生于宇宙之初，被人类认识却仅有百余年

爱未知，不爱无知。爱穿透，更爱相干衍射。爱色彩斑斓的斑点，更爱斑斓的多姿底片。不是微波，不是可见光，也不是粒子流。我是X勇士，请叫我X光。

X代表未知，因为X=？意思是一个具有无限未知解的方程；x代表神秘的，而我就是潜伏在大自然中的X。我在哪里，清晰的视界就在哪里。你看不见我，但我能看穿你，甚至在你失去知觉的时候很容易穿过你的身体。我就是神秘的X光片。
我的家族

我的家族叫电磁波。我们通过电磁场的相互感应来传输能量。即使在真空中什么也没有，我们也能以光速旅行。你看不见我，因为和我看得见的兄弟相比，我的波长要短得多，只有0.01-1nm。如果波长是0.1-1纳米，请叫我软X射线；如果波长是0.01-0.1纳米，请叫我硬X射线；如果波长小于0.01纳米，那么我是超硬X射线；如果波长较短，那就是我哥哥伽马射线（来自核衰变）；我弟弟紫外线比我的波长稍长。

让我与众不同的是，一方面，我的波长很短，短到了原子量级，所以我可以看到原子是如何排列和组装在一起的；另一方面，由于我的能量非常高，我有很强的穿透能力，但我的能量不是特别高，所以我可以“透视”有机生命，而不会对它们造成损害。虽然被我照射太久容易患上癌症，但我也可以杀死癌细胞，治疗癌症。总之，我是把双刃剑。
我的“伯乐”
我在宇宙中生活了很多年，但是人类认识我才一百年左右。我被许多物理学家研究过，如克鲁克斯、赫兹、特斯拉、爱迪生、劳厄、伦琴等等。起初，在施加电压的真空管的负端，德国物理学家希托夫看到我使玻璃壁发出荧光，所以人们叫我“阴极射线”

（实际上，我走的是中性线，喜欢阴柔家伙是电子，不是我）。英国物理学家克鲁克斯发明了一种带有高压电极的真空玻璃管，也看到了被我感光的照片底片。不幸的是，他对我不感兴趣，没有继续研究。后来，当著名的“科学超人”尼古拉·特斯拉（Nikolai Tesla）在玩克鲁克斯管时，他看到了我的“连续体”——被目标阻挡的高速电子的连续辐射，也就是所谓的韧致辐射。

不幸的是，他甚至连名字都不给我，还提醒人们我对人体有害。德国物理学家赫兹在他的实验中也发现，我有能力通过金属箔来验证电磁波的存在，但他总的来说更喜欢叫我电磁波。

1895年，我的时代终于到来了。德国物理学家威廉·康拉德·伦琴成为我的发现者和命名者。他发现，所谓的“阴极射线”能使涂有氰亚铂酸钡的屏幕发光，而包装严密的照相胶片也被射线曝光。这种强大的穿透能力即使面对15mm厚的铝板也不例外，铝板只能被铅板和铂板挡住。他用这种不知名的光线拍摄了他妻子的手的照片——展示了手掌中的骨头，以及象征他们爱情的结婚戒指。

这意味着人体的内部结构不用解剖就能清晰地看到。从那时起，医生们增加了一副功能强大的“透视眼镜”，可以透过皮肤看到骨头，看看身体是否有病变。伦琴兴奋地将这种“未知”射线命名为“X射线”。从那以后，我有了一个名字。我的名字意思是“未知X”。
伦琴的发现引发了一场关于辐射的科学研究浪潮。在短短的一年里，发表了1000多篇关于我的研究论文。法国物理学家贝克勒尔则发现了更多的射线，我的兄弟阿尔法射线、伽马射线和β射线相继为人所知。居里夫妇从自然界中提取镭和钋，发现了天然放射性物质。在此基础上，英国物理学家卢瑟福用加速粒子轰击原子，发现了原子的内部结构，为人们用新的思想研究微观世界打开了大门。这些人都是诺贝尔奖获得者。我的发现者伦琴是第一位（1901年）诺贝尔物理学奖得主。
我从哪里出现
想要制造我并不难。只需要一个真空密封玻璃管，一端是灯丝阳极，另一端是扁平的金属阴极。当两端施加高压时，高速电子会撞击金属板靶。如果电子能量足够高，它可以击落金属内部的电子，在原子的内轨道上留下空穴，外层电子将跳回内层填充空穴，同时，它们将发射辐射——X射线。由于高速电子撞击金属靶，金属靶的一端需要水冷却。早期的X射线管体积大，容易折断。现代的X射线管已经缩小到圆珠笔的长度。

现代X射线仪器的光源和功率都有了很大的提高。根据麦克斯韦方程组，可以推导出自由电子在高速运动过程中改变运动方向，同时会辐射电磁波。同步辐射源具有强度高、连续性好、光束准直性好、光束截面小、时间脉冲和偏振特性好等优点。它是光谱研究中最好的光源之一。X射线也属于这种光源的一个小波长范围。中国在上海建设了居于世界先进水平的同步辐射光源，上海光源也是世界先进的同步辐射光源。目前，部分束线站已投入使用。
我能看到什么
自从我被人类发现以来，我受到了很多关注。然而，我的应用并不局限于拍摄“透视”X光片。是马克斯·冯·劳伊和布拉格父子，真正推动了我的职能。

因为我可以用于拍摄X光片，很多科学家认为我属于一种特殊的光，那就是一种波。但是为了证明我的波动性，我们必须有衍射和干涉特性。因为我的波长只有可见光的千分之一，所以手工制作这么小的光栅是不可能的。
德国物理学家劳伊意识到晶体中的原子在自然界中是有规律地排列的。如果晶体中的原子间隙合适，就可以用作X射线光栅。正是因为晶体中存在着多层原子，相当于多层光栅的叠加，所以衍射图样会非常复杂。然而，劳伊和其他人在1912年成功地完成了这项实验。他们把垂直于晶体轴切割的平行硫化锌晶片放在X射线源和照相底片之间，他们在照相底片上发现了规则的衍射斑点。这个伟大的发现证实了我的易变性，并提供了一个更强大的实验工具，用固定波长的x射线探测晶体中原子的排列，这样人们就可以“看到”晶体中原子的排列。
然而，要从复杂的衍射斑推断晶体的内部结构并不容易。为此，英国物理学家布拉格父子进行了数学巧妙的推导，并总结出布拉格方程。利用这个简单的数学模型工具，科学家们已经解决了许多物质的结构问题。例如，我们所知道的，金刚石的结构是碳原子的四面体。

进一步的实验表明，X射线衍射图样与晶体中原子的空间排列是Fourier变换关系。劳厄和布拉格对X射线的研究催生了一种新技术——X射线衍射，它使材料内部的原子排列不再神秘——在我强大的照射下，所有材料都能“看穿”。劳厄于1914年、布拉格父子分别于1915年获得诺贝尔物理学奖。
我的“超能力”
完成了我的历史故事，是时候谈谈我的“超能力”是什么了。
能力1：晶体结构分析。

我的波长在0.01到1nm之间，这正好是固体中原子的大小和原子之间的距离。我的波长和电子的波长一样，只是电子有一个静止质量，而我没有。当我入射到一个固体材料中时，里面的大量电子会把我散射出去。而每层规则排列的原子对我的散射叠加就相当于原子平面对我的反射，根据布拉格方程，对于一定波长的入射光，在一定的角度上只会有一个特定的出射光，对应于不同的特征原子层间距。通过标记这些原子层，可以推断出晶体中原子的可能排列。
对于单晶材料，我可以在薄膜上留下规则的衍射点，并用傅里叶变换得到原子的排列。通过改变入射方向和出射方向，可以得到原子在晶体中的三维排列。对于多晶材料（由多个取向不同的小单晶组成），可以测量不同衍射角下的发射峰，并推断出原子层。不同的材料会有自己独特的衍射峰分布。如果建立一套包含各种晶体结构的标准衍射数据的多晶衍射数据库，则可以通过检查很容易地推断出晶体中的原子排列结构。这个衍射数据库现在被称为“粉末X射线衍射卡片库”，是材料科学中最重要的数据库之一。X射线衍射证实了DNA复杂的双螺旋结构。
能力2：元素成分分析。

X射线管中的靶材可以发射一系列与靶材有关的特征光谱——X射线识别光谱。不同元素有其独特的核外电子排列方式，因此会有一系列独特的X射线鉴定光谱。如果以所研究的材料为靶材，用高能电子轰击，可以得到多组识别光谱。通过标记这些谱线，可以分析材料中的元素组成。通过对光谱重量（即特征谱线面积）的分析，可以大致得到材料中元素的原子比。通过相似原理，我们还可以分析离子晶体中离子的化学价态。通过一系列的分析，我们可以得到新材料的元素组成和原子排列，并从微观角度检测材料的性能。
能力3：观察有机质的动态过程。

对于长程有序晶体材料，X射线可以给出离散的衍射点分布，而对于短程有序的有机大分子，X射线可以给出一些有规律的衍射点分布。当外界条件如温度、电场、磁场等发生变化时，一些生物大分子会形成不同的排列方式。通过观察它们的X射线衍射图，我们可以知道这些过程是如何发生的。
能力4：固体材料的微观动力学。

如果发射的X射线和入射的X射线的能量发生变化，则意味着X射线吸收或损失了材料中的一些能量。X射线损失的能量尺度相当于固体材料中原子-原子相互作用、原子-电子相互作用和电子-电子相互作用的能量。通过测量不同能量损失下X射线的分布，可以了解材料的微观动力学过程。这些研究将促进对材料力学、热学、光学和电磁特性的物理机制的理解。
能力5：生物透视和工业缺陷检测。

因为我强大的能量，我可以很容易地穿透一些物质，所以我可以毫无损伤地探测到生命的内部结构。如动物骨骼分布的研究，植物生长的检测等。医学上的应用是医学影像学。通过X射线的照射，我们可以看到体内的病变和胎儿在母体中的位置。在计算机的帮助下，可以将不同角度的X射线图像合成为三维图像，即CT扫描。机场和其他地方的安检站实际上是一个X光仪器。由于X射线是一种高能辐射，长期高剂量辐射会影响人体健康，所以在英美普及的全身安检扫描仪其实就是太赫兹射线扫描仪。它能清楚地看到你身体的密度，一些金属材料如枪、弹药、刀具等都无处藏身。X射线透视功能也可用于工业探伤，即在不损坏被加工零件的情况下，检测内部是否存在加工缺陷。但是，对于金属零件，需要更高能量的伽马射线。
能力6：考古和宇宙学研究。

X射线也可用于考古学。它可以扫描木乃伊的形状而不用打开棺椁。它还可以研究油画的创作过程。
还可以研究宇宙，我们的宇宙起源于135亿年前的一次“大爆炸”，宇宙中许多强烈的天文现象都会发出X射线。也可以研究，超新星和超新星之间的碰撞是如何被恒星和超新星所粉碎的。这就是神奇的X射线。