X-ray - X-ray (English spelling)

Japanese: X線 - えっくすせん（英語表記）X ray

X-rays are short-wavelength electromagnetic waves whose radiation mechanism and properties differ from those of ordinary electromagnetic waves. The wavelength of X-rays is usually between several hundred angstroms (1 angstrom is one hundred millionth of a centimeter) and 0.1 angstroms, shorter than that of ultraviolet rays but longer than that of gamma rays. In terms of the energy of photons, the energy ranges from 1,000 electron volts to tens of thousands of electron volts.

X-rays were accidentally discovered in 1895 by Professor Roentgen of the University of Würzburg in Germany. He made this discovery while conducting experiments on vacuum discharge and cathode rays, which were being researched by J. J. Thomson and others at the time. In November 1895, Roentgen sealed an electrode in a vacuumed glass container and applied a high voltage to it ( Figure A ). He discovered that even if the entire discharge tube was covered with black paper, something invisible was emitted from the discharge tube and lit up a fluorescent screen placed nearby. He immediately realized that this was different from cathode rays, because it was known that cathode rays are absorbed by the air as soon as they are released into the air, before they can travel more than a few centimeters. However, this unknown substance had the strange property of reaching a distance of several meters from the discharge tube and penetrating paper, wood, and even human hands. Roentgen named it X-rays, but in Germany it is called Roentgen rays.

[Yoshihiko Otsuki]

X-ray generation

X-rays are generated by gas discharge at low pressure, i.e., by striking a metal target with an electron beam, as originally done by Roentgen. This device is called a gas ion X-ray tube. Figure B shows a typical gas ion X-ray tube. When electrode B is made positive and electrode E is made negative, high-speed electrons are emitted from D toward C. When these electrons strike metal target C, X-rays are emitted from here.

A slightly improved version of this, in which the cathode D is heated to make it easier for electrons to escape, is the thermionic X-ray tube, also known as the Coolidge tube, which is widely used. Most medical and industrial X-rays are generated using this type of X-ray tube. X-rays can also be obtained by irradiating various ion beams on materials, and are also emitted from high-temperature plasma gas. Powerful X-rays can also be obtained by bending electron or positron beams suddenly using a magnetic or electric field, without irradiating them on a solid. For example, at the Photon Factory (a synchrotron radiation experimental facility) completed in 1982 (Showa 57) at the National Institute for High Energy Physics (now the High Energy Accelerator Research Organization) in Oho, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture, powerful X-rays can be obtained by making electrons accelerated in an accelerator travel in a circular path. This type of X-ray is called SOR light.

[Yoshihiko Otsuki]

Properties of X-rays

The main properties of X-rays that were known from the time of their discovery were: (1) they make fluorescent materials glow, (2) they have a photographic effect, (3) they travel in a straight line like light, (4) they ionize air, (5) they penetrate materials well, and (6) there are hard X-rays that penetrate well and soft X-rays that do not penetrate well.

X-rays are made of photons with high energy, and when they hit atoms, the photoelectric effect knocks off electrons in the atoms and ionizes them. This corresponds to the properties of (1), (2), and (4). Hard X-rays are made of photons with high energy, which penetrate materials well, while soft X-rays are made of photons with low energy, which are absorbed by materials and do not penetrate easily. The absorption coefficient indicates how easily a material absorbs X-rays, and its wavelength dependency is shown in Figure C. This shows that longer wavelengths are more easily absorbed. The jagged parts of the absorption coefficient are exactly the same as the ionization energy, and only these parts are absorbed more. Furthermore, the absorption coefficient is proportional to the density of the material, and the denser the material, the less likely X-rays are to penetrate it. For example, when X-rays are applied to a human hand, the bones are extremely denser than other tissues, and these parts do not penetrate, so a shadow is produced.

[Yoshihiko Otsuki]

Continuous and characteristic X-rays

If we look at the spectrum of X-rays emitted from a Coolidge tube, that is, the change in intensity as a function of wavelength, we get the result shown in Figure D. Overall, it forms a gentle hill that is cut off on the left, but there are several sudden rises. This suggests that the X-rays are emitted by two different generation mechanisms. One is that X-rays of any wavelength are emitted continuously as long as they are greater than a certain wavelength λ _c , and in this sense the emitted X-rays are continuous X-rays. The other is that strong X-rays have wavelengths of only certain values λ ₁ and λ ₂ , i.e. they are discontinuous X-rays.

There are still many aspects of the mechanism of continuous X-ray generation that are not fully understood. Roughly speaking, when a high-speed electron beam hits a material, it releases a large number of secondary electron beams. These electrons are suddenly bent by nearby atoms, and as they are bent, they emit X-rays ( Figure E ). Therefore, the wavelength of the X-rays emitted at this time can be any wavelength. However, due to the law of conservation of energy, it is impossible to emit X-rays with more energy than the original electron had. This determines the limiting wavelength _λc .

On the other hand, characteristic X-rays are a quantum mechanical effect. As shown in Figure F , when an electron in an atom is ionized by an electron beam, surrounding electrons transition to fill the gap. The energy emitted at this time is determined by the energy level of the original electron in the atom. Therefore, the energy of the X-rays emitted varies depending on the type of material, and X-rays with a frequency specific to the material are obtained. These are called intrinsic X-rays, or characteristic X-rays.

[Yoshihiko Otsuki]

Use of X-rays

X-ray analysis is a method of studying the chemical and physical composition of substances using X-rays, and includes X-ray fluorescence analysis, X-ray emission analysis, X-ray absorption analysis, photoelectron spectroscopy, X-ray diffraction, and electron beam microanalyzer (X-ray microanalyzer). X-ray fluorescence analysis uses the material-specific fluorescence emitted by a sample irradiated with X-rays to analyze trace amounts of elements. X-ray emission analysis is similar to fluorescence analysis, but it analyzes elements by analyzing a wide range of wavelengths. X-ray absorption analysis is a method of analyzing the material composition by having a sample absorb X-rays and examining the differences in the absorption coefficient and absorption spectrum.

Photoelectron spectroscopy and electron beam microanalyzers made remarkable advances towards the end of the 20th century. The former is a method for analyzing the energy of photoelectrons that are ejected from a material when the material is irradiated with X-rays, and has produced great results in the study of solid surfaces. On the other hand, electron beam microanalyzers aim a thin electron beam at the surface of a sample and analyze the characteristic X-rays emitted from it, but perform two-dimensional analysis by scanning the surface of the sample with the electron beam.

Since the wavelength of X-rays is about 1 angstrom, which is about the same as the atomic spacing in crystals, an interference effect occurs when X-rays hit a crystal. X-ray diffraction is a method of determining crystal structure, molecular structure, etc., by utilizing the wave properties of X-rays.

For example, suppose that an X-ray with a wavelength λ is incident on a crystal atom as shown in Figure G. The angle of incidence and the angle of reflection with respect to the atomic plane are both θ. This type of reflection is called specular reflection. When the difference in the travel distance of the X-ray is an integer multiple of the wavelength λ, the X-rays specularly reflected from the first atomic plane and the X-rays specularly reflected from the second atomic plane interfere with each other and are constructive. In other words,
2 d sinθ= m λ ( m =0,1,2,……)
When the x-ray spot is 1, a strong intensity is obtained. Here, d is the distance between the atomic planes, and m is an integer. This formula is called the Bragg condition.

By changing the wavelength of the X-rays, the crystal orientation, etc., and examining the changes in the X-ray spot, it is possible to determine the crystal structure, interatomic distances, etc. with great accuracy. When the crystal is in powder form, the X-ray spot forms a ring-shaped pattern called a Debye-Scherrer ring, which is used to determine the interatomic distances of the crystal.

[Yoshihiko Otsuki]

X-rays and Biology

X-ray analysis and diffraction methods are also widely used in the study of biological materials. X-rays, as a form of radiation, have a specific radiation exposure effect on living organisms. The susceptibility of biological tissue to the effects of radiation is called "radiation sensitivity." Generally, when an organism's cells are dividing rapidly, the cells are more sensitive to radiation. In mammals, the liver, kidneys, muscles, brain, and bones have low radiation sensitivity, while the bone marrow, ovaries, testes, intestines, and skin have high sensitivity.

The units used to express the strength of radiation, including X-rays, are complex. The units for X-rays are the same as the units for radiation (especially gamma rays). The absorbed dose is the degree to which an object absorbs the energy of X-rays when it hits it, and its unit is called gray (Gy). 1 Gy means that an object of 1 kilogram absorbs 1 joule (J) of energy per second. The standard absorbed dose received by the human body in cancer treatment is 70 to 75 Gy. The unit of dose equivalent is also used to express absorbed dose, and its unit is sievert (Sv), but in the case of X-rays, it is the same as Gy. Another issue is the amount of radiation emitted at the stage when X-rays are emitted. This is the intensity of radiation, which is also called the intensity of radioactivity. This intensity is based on the decay of one atomic nucleus per second (s), and is called 1 becquerel (Bq). 1 Bq has a unit of 1/s.

[Yoshihiko Otsuki]

"The Story of Radiation" by Otsuki Yoshihiko (1980, NHK Publishing)" ▽ "X-Rays" by Otsuki Yoshihiko (1982, Otsuki Shoten)" ▽ "What can we learn from X-rays? The social impact of the discovery of X-rays" by Kato Seiki (1990, Uchida Rokakuho)" ▽ "Understanding Radiation Physics" by Tada Junichiro (1997, Ohmsha)" ▽ "X-ray Structural Analysis - Determining the Arrangement of Atomic Elements" by Waseda Yoshio and Matsubara Eiichiro, supervised by Doyama Masao, Ogawa Keiichi, and Kitada Masahiro (1998, Uchida Rokakuho)" ▽ "X-ray Spectroscopic Analysis" edited by Kato Seiki (1998, Uchida Rokakuho)" ▽ "X-ray Imaging Optics" edited by Namioka Takeshi and Yamashita Hiroyuki (1999, Baifukan)"

Discharge tube (Figure A)
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Discharge tube (Figure A)

Typical gas ion X-ray tube (Fig. B)
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Typical gas ion X-ray tube (Fig. B)

X-ray absorption coefficient (Figure C)
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X-ray absorption coefficient (Figure C)

X-ray spectrum (Fig. D)
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X-ray spectrum (Fig. D)

Continuous X-ray generation (Fig. E)
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Continuous X-ray generation (Fig. E)

Transitions between atomic energy levels (Figure F)
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Transitions between atomic energy levels (Figure F)

X-ray diffraction (Figure G)
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X-ray diffraction (Figure G)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

放射のメカニズムや性質が通常の電磁波とは異なる、波長の短い電磁波のこと。X線の波長は通常、数百オングストローム（1オングストロームは1億分の1センチメートル）から0.1オングストロームで、紫外線のそれよりは短くγ(ガンマ)線のそれよりは長い。これを、光子(こうし)のエネルギーという見方からすれば、そのエネルギーは1000電子ボルトから数万電子ボルトの範囲である。

　X線は1895年ドイツのウュルツブルク大学教授、レントゲンによって偶然発見された。彼は当時、J・J・トムソンなどが中心となって研究していた真空放電、陰極線の実験中にこの発見に至った。レントゲンは1895年11月、真空にしたガラス容器に電極を封入し、これに高電圧をかけた（図A）。彼は、放電管全体を黒い紙で覆ってみても、目に見えない何かが放電管から放出され、近くに置いた蛍光板を光らせることを発見した。これは、陰極線とは違うものであることはすぐわかった。陰極線は空気中に出たとたんに、数センチメートルも走らないうちに、空気によって吸収されてしまうことが知られていたからである。ところが、この未知のものは、放電管から数メートルも離れた所に到達し、しかも、紙や木材、人間の手なども透過してしまうという不思議な性質をもっていた。レントゲンはこれをX線と名づけたが、ドイツではレントゲン線とよんでいる。

［大槻義彦］

X線の発生

X線は、当初レントゲンが行ったように、低圧中の気体放電によって、すなわち、電子線を金属ターゲットに当てることによって発生する。この装置をガスイオンX線管という。図Bに代表的なガスイオンX線管を示す。Bの電極を正、Eの電極を負にすると、DからCに向かって高速の電子が飛び出す。これが金属ターゲットCに当たると、ここからX線が放出される。

　これをすこし改良し、陰極Dを加熱し、電子が飛び出しやすくしたものに熱電子X線管、別名クーリッジ管があり、これは広く利用されている。医療用、工業用のX線はほとんどこの型のX線管を用いて発生させている。そのほか、X線は各種のイオン線を物質に当てることによっても得られるし、高温のプラズマ気体などからも放出される。電子線や陽電子線を固体に当てないで、磁場や電場によって急に曲げても強力なX線が得られる。たとえば、茨城県つくば市大穂(おおほ)の高エネルギー物理学研究所（現、高エネルギー加速器研究機構）内に1982年（昭和57）に完成したフォトンファクトリー（放射光実験施設）では、加速器で加速した電子を円形に走らせることによって強力なX線が得られる。この種のX線はSOR(ソール)光という。

［大槻義彦］

X線の性質

発見当初からわかっていたX線のおもな性質は、(1)蛍光物質を光らせる、(2)写真作用をもつ、(3)光のような直進性がある、(4)空気を電離する、(5)物質をよく透過する、(6)透過のよい硬いX線と透過の悪い軟らかいX線がある、などであった。

　X線はエネルギーの大きい光子からできており、これが原子に当たると、光電効果によって、原子内電子をはじき飛ばし、原子をイオン化する。これは(1)(2)(4)の性質と対応する。硬いX線はエネルギーの高い光子のことで、これは物質をよく透過し、反対に軟らかいX線はエネルギーの低い光子からできており、これは物質によって吸収を多く受け、透過しにくい。物質での吸収されやすさを表すのが吸収係数であり、その波長依存性は図Cのようになっている。これによって、波長の長いほうが吸収されやすいことがわかる。なお、吸収係数にぎざぎざが現れている部分は、ちょうどイオン化エネルギーと合致するところで、ここだけが多く吸収を受けていることを表す。さらに、吸収係数は物質の密度に比例し、密度の大きい物質ほどX線は透過しにくい。たとえばX線を人間の手に当てると、骨の部分だけは他の組織より極端に密度が高く、この部分は透過しないので、影が写る。

［大槻義彦］

連続X線と固有X線

クーリッジ管から放出されるX線のスペクトル、すなわち波長の関数としての強度の変化をとってみると、図Dに示すようになる。全体としては、左で切れているなだらかな山になっているが、数箇所で急に立ち上がっている。これは、X線が、異なる二つの発生機構によって放出されていることを暗示する。一つは、ある波長λ_cより大きい波長ならば、連続的にどんな波長のX線でも放出しており、この意味で放出X線は連続X線である。もう一つは、波長がある値λ₁、λ₂だけであるような強いX線である。すなわち不連続なX線である。

　連続X線発生のメカニズムは、まだよくわかっていない部分も多い。大まかにいえば、物質に高速の電子ビームが当たると、これから、さらに大量の電子線を二次的に放出する。この電子は、そばにいる原子によって急に曲げられ、曲げられるときにX線を放出する（図E）。したがって、このとき放出されるX線の波長はどんなものでも可能である。そうはいっても、もともとの電子がもっていたエネルギー以上のX線を放出することは、エネルギー保存則からいって不可能である。これによって限界の波長λ_cが決まる。

　一方、固有X線は量子力学的効果である。図Fのように、電子ビームによって原子内の電子が電離されると、そのすきまに周りの電子が遷移する。このとき放出されるエネルギーは、もともとの原子内の電子のエネルギー準位によって決まってくる。したがって、放出されるX線のエネルギーは物質の種類によって異なるものとなり、物質固有の振動数のX線が得られる。これは固有X線、または特性X線とよばれる。

［大槻義彦］

X線の利用

X線を利用して、物質の化学的、物性的組成を研究するのがX線分析法であり、蛍光X線分析、X線発光分析、X線吸収分析、光電子分光分析、X線回折法、電子線マイクロアナライザー（X線マイクロアナライザー）などがある。蛍光X線分析法は、X線を照射された試料が物質特有の蛍光を発することを利用して微量な元素を分析する。X線発光分析は蛍光分析と似ているが、広い範囲の波長分析を行って元素を解析する。X線吸収分析は試料にX線を吸収させ、その吸収係数の違いや吸収スペクトルの違いから、物質組成を分析する方法である。

　20世紀末ごろに著しく発展したのは光電子分光分析と電子線マイクロアナライザーである。前者は物質にX線を照射したとき、物質からはじき飛ばされる光電子のエネルギーを分析する方法であり、固体表面の研究に大きな成果をあげている。一方、電子線マイクロアナライザーは試料表面に細い電子ビームを当て、これから放出される特性X線を分析するが、電子ビームを試料面で走査して二次元的な分析を行う。

　X線の波長は1オングストローム程度で、結晶の原子間隔と同程度のため、X線が結晶に当たると、干渉効果が現れる。このX線の波動的性質を利用して、結晶構造、分子構造などを決定する方法がX線回折法である。

　たとえば、波長λのX線が、図Gに示すように結晶原子に入射したとする。原子面となす入射角、反射角をともにθとする。このような反射を鏡面反射とよぶ。第一の原子面で鏡面反射したX線と、第二の原子面で鏡面反射したX線は、X線の走る距離の差が、波長λの整数倍のとき、干渉して強めあう。すなわち、
　　2dsinθ＝mλ (m＝0,1,2,……)
のとき、強度の強いX線のスポットが得られる。ここに、dは原子面間の距離で、mは整数である。この式をブラッグ条件とよぶ。

　X線の波長、結晶の方位などを変化させ、X線のスポットの変化を調べてゆくと、結晶の構造、原子間距離などをきわめて正確に決定することができる。結晶が粉末状になっていると、X線のスポットはデバイ‐シェラー環とよばれるリング状のパターンとなり、結晶の原子間距離の決定などに利用される。

［大槻義彦］

X線と生物

X線の分析法や回折法は、生物資料の研究にも広く利用されている。放射線としてのX線は、生体に特有の放射線照射効果を与える。生物組織が放射線の作用を受けやすいことを「放射線感受性」という。一般的に、生物の細胞が激しく分裂している場合、その細胞の放射線感受性は高くなる。哺乳(ほにゅう)動物では、肝臓(かんぞう)、腎臓(じんぞう)、筋肉、脳、骨などは放射線感受性は低く、骨髄(こつずい)、卵巣(らんそう)、精巣、腸、皮膚では高い。

　X線を含む放射線の強さを表す単位は複雑である。X線に関する単位は放射線の単位（とくにγ線の単位）と同じである。X線が物体に当たり、そのエネルギーが物体に吸収される度合いを表すのが吸収線量で、その単位はグレイ（Gy）とよばれる。1Gyは1キログラムの物体が1秒当り1ジュール（J）のエネルギーを吸収することを意味する。癌(がん)治療で人体が受ける標準の吸収線量は70～75Gyである。吸収線量を表記するのに線量当量という単位も用いられ、その単位はシーベルト（Sv）であるが、X線の場合Gyと同じものである。このほかにX線が放出される段階での放出量の大きさも問題になる。これが放射の強さで、これを放射能の強さともいう。この強さは1秒（s）当りの1個の原子核が崩壊する場合を基準にとり、これを1ベクレル（Bq）という。1Bqは1/sという単位となる。

［大槻義彦］

『大槻義彦著『放射線の話』（1980・日本放送出版協会）』▽『大槻義彦著『エックス線』（1982・大月書店）』▽『加藤誠軌著『X線で何がわかるか――X線発見の社会的衝撃』（1990・内田老鶴圃）』▽『多田順一郎著『わかりやすい放射線物理学』（1997・オーム社）』▽『早稲田嘉夫・松原英一郎著、堂山昌男・小川恵一・北田正弘監修『X線構造解析――原子の配列を決める』（1998・内田老鶴圃）』▽『加藤誠軌編著『X線分光分析』（1998・内田老鶴圃）』▽『波岡武・山下広順編『X線結像光学』（1999・培風館）』