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白炽灯可以产生 X 射线吗?

图片:Pexels / CC0

张子立,能源,化学,材料

很遗憾,答案是不能,但是很接近了。

白炽灯的原理是就是在钨丝上加电流,相当于给予钨丝一定的能量。这部分能量就会发生转化,变成内能也就是俗称的热量。在大部分热以红外向外释放的过程中,会伴随少量的光辐射。

那么随着给予的能量(电压和电流)加大,能否导致向外辐射的能量向高能方向继续移动,最终抵达X射线区域呢?这是不能的。原因是,如果能量更高的时候,钨自己本身就不够稳定了,大量的电子会变成热电子并发射出去。热电子发射是指通过加热的方式使固体内部电子的动能增加,以致有一部分电子的动能大到足以克服表面势垒而逸出体外,形成电子发射。能量通过这种方式消耗了,也就不会产生更高能的X射线了。

但是为什么说很接近了呢?因为产生X射线的X射线管就是用跟白炽灯非常类似的结构。在钨丝上加电压和电流,产生大量的热电子发射之后,轰击在目标靶材上,从而产生X射线。换句话说,在你的设想中,需要再加一根钨丝,然后把电压再提高5~50倍(也就是几万伏到几十万伏),就可以发射出X射线了。具体的如下图所示。灯丝的部分你就可以理解为一个白炽灯(真的很像的,在真空环境中的钨丝)。灯丝发出的电子打在金属阳极靶(通常也是钨,也就可以理解为另一个白炽灯的灯丝),就会发出X射线了。

通了电的钨丝产生大量的电子,电子轰击在另外一块钨上面就会产生两种效应。第一种效应叫韧致辐射,也叫刹车辐射,如下图所示。是指高速运动的电子与原子核发生作用的时候产生的辐射。入射电子通过原子核的作用会损失一部分动能并且改变自己的运动方向。根据能量守恒定律,这部分能量总要有个去处,而这个去处就是X射线。这种方法产生的X射线在波谱上是连续的。产生的X射线的频率是和入射电子的动能成正比的,而入射电子的动能是跟加在第一根钨丝两侧的电压成正比的(所谓的管电压)。因此X射线的最小频率就跟管电压成正比(当然1wV的管电压看不到啥X射线的,电压太低了)。

第二种作用形式叫特征X辐射。韧致辐射是热电子与原子核发生作用了。原子里除了原子核还有核外电子,那么热电子与核外电子发生作用结果是啥呢?结果就是特征X射线,如下图所示。特征X射线是指外来电子与核外电子发生作用,使内层电子激发跃迁。在内层电子跃迁后,由于能量最低原理,外层电子会自发跃迁至内层电子。内外层电子的能量差就以X射线的形式释放了。由于通过这种作用释放出来的X射线的能量(也就是频率)等于内外层电子的能量差,所以其能量(频率)是固定的,也就别成为特征X射线。对于W来说,激发特征X射线起码得是2wV以上的电压才行,1wV还是小了。

总结一下,以上的简要的描述可以看出。其实白炽灯和X射线管的构造非常类似(其实跟电子枪可能更类似),唯一的区别就是在白炽灯钨丝的前面再放个钨靶,然后电压再高一些,就能够顺利产生X射线了。

剩下的唯一的问题,你的灯泡扛得住这么造嘛。。。。。。

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