X射線是光的一種形式，也是看見宇宙的另一種方式

作者：文/虞子期

就本質而言，光就是一種處於特定頻段的光子流，光源之所以能夠發出光，是因為其光源中的電子獲得了額外能量，而電子的加速運動則是以波的形式釋放能量。X射線其實也是是光的一種形式，雖然X射線波長會比可見光的波長更短，但它的光子能量卻比可見光的光子能量大幾萬、甚至是幾十萬倍。並且，X射線擁有一個最強大的本領，那就是能夠穿透很多物質，哪怕是充滿神秘與諸多未知的宇宙空間也不例外。

為何X射線是光的一種形式

1895年，德國物理學家威廉·倫琴發現了一種新形式的輻射，這種神秘的輻射能夠穿過許多吸收可見光的材料，還具有從原子中釋放電子的能力，他將其稱之為X射線（又稱倫琴射線），以表示其未知性質。最終發現，就本質而言，X射線其實就是另一種形式的光。當帶電粒子發生碰撞、或者它們的運動發生突然變化時，它們會產生一束被稱為光子的能量，並以光速的速度從事件現場飛出。

而光是所有物質不斷搖晃、振動、喧囂的副產品，實際上，它們是光或電磁輻射所使用的技術術語。由於電子是已知最輕的帶電粒子，因此，它們是宇宙中產生的大多數光子的原因。如果你能看到原子水平，你會發現原子和分子每秒都會振動數百萬億次，並相互撞擊彼此，而電子則是以每小時約一百萬英里的速度活動，而X射線便可以通過電子和質子之間的高速碰撞產生。

光子的能量可體現光的形式

眾所周知，光的表現可以採取多種形式。比如，無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線，以及伽馬輻射，都是不同形式的光。科學家們可以通過光子的能量，來分析它是什麼形式的光：無線電波由低能光子組成，光學光子是人眼能夠感知的唯一光子，它比典型的無線電光子高出一百萬倍左右。而X射線光子的能量，又比光學光子的能量高几百到幾千倍。光子的能量會因為粒子碰撞、或振動時的速度而受到限制，溫度也對對速度造成影響。比如，在炎熱的一天，空氣中的粒子比天氣寒冷時活動更快，簡而言之，物體產生的輻射波長，通常都與其溫度有關。

當環境里的溫度非常低時，會產生低能量無線電和微波光子；像我們人類這樣約37攝氏度的冷體，則會產生紅外輻射；而非常高的溫度（數百萬攝氏度），便會產生X射線。光子本身也可以與電子碰撞，如果電子比光子具有更多能量，碰撞便可以增強光子的能量。光子也可以通過這種方式，從低能光子變為高能光子。而這個稱為康普頓散射的過程，被科學家們認為是重要的黑洞周圍，密集的物質被加熱到數百萬度。通過X射線望遠鏡在太空中收集的光子，以揭示宇宙中的熱點，即粒子通過巨大的爆炸，強烈的引力場被激發或升高到高溫的區域。這些條件就存在於各種各樣的地方，從星系之間的廣闊空間，到中子星和黑洞奇異的坍塌世界。

光子能量分布決定光譜的走向

當自由電子被質子或帶電原子（離子）的電場加速時，發射的光子可以具有較寬範圍的能量，這完全取決於電子移動的速度和加速的程度。而由此過程引起的光子能量分布，則被研究人員稱為連續光譜，它可以繪製為平滑曲線。相反，如果電子圍繞中性或帶電原子（也稱為離子）的原子核軌道運行，那麼，該光譜則是一系列尖銳的峰或線。

這是因為原子中的電子軌道，受到量子理論規則的嚴格控制。而這些軌道，或更準確地說是能量狀態，當其被特定量的能量分開，每種元素的原子，如氧，碳等，都有各自獨特的能量狀態。就像樓梯被特定高度分開一樣、就像你無法移動階梯之間的位置一樣，原子中的電子也一樣不能移動到能量狀態之間的位置。通常情況下，原子中的電子都處於最低能量狀態，就好比是位於樓梯的底部位置。

原子的能量狀態和恆星的構成

但是，如果原子被自由電子、另一個原子或光子碰撞所激發，那麼最低能級將是沒有電子停留的。其中一個軌道電子將迅速跳到這個水平，以特定能量的光子的形式釋放能量。而這些光子，便會在光譜中產生髮射線。由於存在於氣體中的各種元素，由許多原子組成的熱氣體，將發出由許多發射線組成的光譜，哪怕是相反的過程也可能會發生。

當「光子流」遇到氣體，那些能量對應於原子中能量水平的那些光子，將被原子吸收。而這個過程會在氣體中產生一系列吸收線。仔細研究由特定元素的原子發射或吸收的光子的能量，便可以為該原子的能量狀態提供藍圖。當科學家們了解這個藍圖或能譜之後，研究人員就可以在恆星和氣體的輻射中尋找它，並確定每種元素的含量。通過這種方式，天文學家已經確定恆星主要由氫構成，並混合了氦和痕量的重元素，如碳，氮，氧等物質。

X射線熒光和電荷交換的區別

當高能粒子或X射線撞擊不受原子最內能級的電子時，便會發生原子的X射線熒光，從而在這個過程中產生不穩定的原子。來自外能級的電子，會立即跳躍到較低能量狀態，並發射具有原子特有的獨特能量的X射線。比如，在黑洞的周圍，當靠近黑洞的熱氣體所產生的高能X射線，與附近較冷的氣體和塵埃中的鐵原子發生碰撞之時，就會發生這種情況。

產生髮射線還有另一種方法，那就是電荷交換。帶電離子，例如，碳/氧離子與中性原子、或分子碰撞，並捕獲其中一個電子。當捕獲的電子下降到較低能量狀態時，便會發射光子，電子會在中性原子和離子之間交換，這個過程就被科學家們稱為「電荷交換」。在這種碰撞發生之後，隨著捕獲的電子移動到更緊湊的軌道，便會發射X射線，對於某些天體而言，這是非常重要的一個過程。比如，對於彗星而言，電荷交換就尤其重要，因為太陽風中的離子，會與彗星大氣中的中性原子發生碰撞。

宇宙源的同步輻射具有獨特光譜

以上兩種並不是全部情況，因為X射線光子也可以在不同條件下產生。當物理學家操作第一個粒子加速器時，他們發現電子可以產生光子，而且不會發生碰撞。這種情況的發生是可能的，因為加速器中的磁場會導致電子圍繞磁場力線，以大螺旋的形式運動，而該過程就被科學家們稱為同步輻射。在宇宙中，諸如電子的粒子可以通過電場和磁場，加速到接近光速的高能量。

來自宇宙源的同步輻射具有獨特的光譜，或具有能量的光子分布。這些高能粒子可以產生同步加速器光子，其波長範圍會從無線電通過X射線和伽馬射線能量。同步輻射與來自熱氣體的輻射光譜相比，輻射能量會下降得相對更快。尤其是當在超新星遺迹、宇宙噴射或其他來源中觀察到同步輻射時，它揭示了存在的高能電子和磁場的有關信息。而所謂的射線宇宙指的就是，通過探測X射線的望遠鏡所觀察到的宇宙，因為，當物質被加熱到數百萬度時，宇宙中就會產生X射線。

「X並且，這種溫度往往發生在高磁場、極端重力，或爆炸力保持搖擺的地方。來自Hydra A星系團的Chandra的X射線圖像，是最大的宇宙X射線源之一，這個集群非常龐大，需要花費數百萬年的時間來穿越它。當宇宙是目前大小的一半時，科學家們認為氣體雲曾被引力坍縮加熱。在一簇星系中，這群巨大的熱氣體是幾百萬光年，包含了足夠的物質，可以製造數百萬億顆恆星。與此同時，X射線望遠鏡還可以用來追蹤來自爆炸恆星的熱氣體，或探測距離恆星黑洞事件視界90公里處的物質的X射線，以幫助科學家解答有關宇宙起源、進化和命運的基本問題。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！