电磁波波长与穿透力的关系是什么？

什么叫穿透力？衍射与穿透力是什么关系？ X光照射人体得到图像的原理是什么？

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Ada Zhu，foolish

徐徐徐徐徐、何伟成、陈子瞻等人赞同

非常感谢题主的问题，让我有机会好好想一想。基础知识很渣，只能在应用物理的层面简单说说吧，说明中遇到的我不懂的地方就标出来：
先来一个wiki词条，简单明了，其实不用我再废话了。Phase-contrast X-ray imaging

电磁波/物质波 跟物质的作用可以分为两类，弹性elastic和非弹性inelastic。
讨论波跟物质的相互作用，其实把波看成粒子最容易理解，也就转化为粒子跟粒子的碰撞。
而多个光子有三个物理性质，能量，动量，和偏振。

弹性碰撞，入射粒子能量不变，方向改变 -- 弹性散射。作为波，就是波长不变，方向改变，表现为不相干散射，和相干散射——衍射，如果是界面，则为折射，反射。
非弹性碰撞，入射粒子能量改变，比如能量被物质吸收。作为光子，一是光子消失，光子数减少；二是一个光子被吸收，然后另一个能量不同的光子因此被射出，比如拉曼散射；三是，光子跟自由电子碰撞，能量改变，这是康普顿散射。
（关于偏振状态，我接触到的只有偏振吸收光谱，不知道有没有只改变偏振不改变能量的情况。对于电子，自旋改变，电子的能量也改变，不知光改变自旋会不会改变能量，请高手指导。【1】）

穿透力，如果理解为光子穿过物质后既没改变能量也没改变方向，那么就要把参与弹性碰撞和非弹性碰撞的光子数都去掉，看最终没经过任何作用的光子数。也就是说衍射（如果有的话）降低穿透力。

由于X光是电磁波，物质对它的散射主要来自于电子，散射截面正比于物质电子密度。对于电子多的元素，比如钙就比碳更容易(概率上)散射X光 (X-ray diffraction as a promising tool to characterize bone nanocomposites)。

对于吸收，吸收率不仅跟波长有关，还跟相互作用的物质有关。简单地说就是，分子转动能级之间跃迁吸收的光大概是微波，原子建震动能跃迁级吸收红外光，原子外壳层能级跃迁吸收可见光，原子内壳层能级跃迁吸收x光-紫外光，内壳层电离吸收硬X光。（当然实际情况并没有这么简单）医学X-ray imaging 主要利用元素对x光不同的吸收率 NIST: X-Ray Mass Attenuation Coefficients . 由于不同物质对X光的吸收率不同，可以把感兴趣的物质从背景中分辨出来。（注意，由于是电离辐射，电离产生的自由电子对身体会有危害。）

利用吸收率不同还有几个有趣的技术，比如X-ray magnetic circular dichroism (XMCD)和X-ray magnetic linear dichroism (XMLD) spectroscopy 是利用不同的自旋和磁量子数的原子对偏振光的不同吸收率来研究材料。
当然分辨能力不光可以利用不同吸收率，还可以利用不同的散射率，比如 phase contract X-ray imaging, 还有 x-ray/neutron scattering也要用到X光和中子的不同散射率。
同时利用吸收和散射的技术：anomalous x ray diffraction.

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【1】是拿不准的地方，欢迎指导。

编辑于 2014-10-02 14 条评论感谢

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Zhang Hongyi，本人不靠谱

赵晗、王江、知乎用户等人赞同

擦，看了上面的回复我真是...
穿透能力取决于物质对电磁波的吸收能力，如果定义一个吸收系数的话，电磁场能量在物质内部依照吸收系数指数衰减。物质对特定波长电磁波吸收系数的大小可以差别很大，太多物理过程可能导致物质对电磁波的吸收，可以是晶格振动，可以是电子跃迁，可以是电离，甚至更高能的吸收，这主要取决于电磁波的波长，所以理论性的考虑物质对电磁波的吸收很繁琐，经验的可以表示为物质的介电函数，这个东西可以测。
你说的穿透能力和衍射没有半毛钱关系，X射线看到人体骨骼结构就是因为皮肤、器官和骨骼对X射线的吸收能力不同，所以穿透以后可以形成衬度而成像，就像阳光穿不透你的寂寞而形成影子一样。

发布于 2014-01-25 1 条评论感谢

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知乎用户，打杂人员

张誉腾、BillChen27、刘松茂等人赞同

粗略谈谈我的理解。
1、穿透力一般应该理解为透射率，透射率与吸收率是互补的，二者之和应为1。也就是说，电磁波入射到某种材料上的透射率高，是因为这种材料对此波段的电磁波吸收率小。决定吸收率大小的是组成这种物质的原子或分子本身存在的能级差。能级包括原子的外层电子能级、内层电子能级，分子的振动、转动能级等，本质是由原子分子的各种运动产生的能量值。电磁波频率（与波长成反比）如果正好对应某个能级差值（能量 $=$ 普朗克常数 $\times$ 频率），就会与物质内部的原子分子能相互作用（从经典力学的角度看这就是共振），电磁波的能量传递给原子分子从而使它们获得能量发生能级跃迁（获得更高的能量值），也就是说电磁波被物质吸收了。不同物质的原子分子内部同一类运动状态的能级值分布不一样，而同一种原子分子的不同类型运动状态的能级值更是差别很大。因此，不同物质对各种波段电磁波的吸收率是不一样的，同一种物质对电磁波的吸收情况也就形成它独有的光谱带。
“波长越短穿透力越强”没错，这里的穿透力大概是指电磁波对物质的损伤力，因为波长短频率就高，当频率很高达到与原子分子的电离能在一个量级（电离能即外层电子完全脱离原子核的束缚形成自由电子所需要的能量）就会使物质电离以致破坏其化学键，这样就损害了机体的正常功能。高能射线对人体的伤害也正是这个原因。
PS：以上所述就是 @Ada Zhu 所提到的“非弹性散射”中光子数减少的情形，也是最普遍情形。他提到的拉曼散射和康普顿散射并不具普遍性：拉曼散射中拉曼信号十分微弱；康普顿散射研究的只是高能光子与“自由电子”这一种物质的相互作用。
2、至于衍射，则考虑的是电磁波入射到某种结构，而不是构建这种结构的物质本身的情形，也就是说衍射并不考虑波与原子分子的相互作用。楼上有人说波长越大越容易发生衍射不能等同于波长越大穿透力越强：首先，衍射不是透过障碍物，衍射是障碍物构成的结构对波动场相位分布施加影响的结果；其次，衍射的明显程度取决于结构尺度与波长的相对大小，波长越大越容易与我们周围的宏观结构发生衍射，比如水波声波的衍射、光学中的光栅衍射、圆孔衍射等等，所以波长越大越容易肉眼观察到衍射，而不是波长越大越容易衍射。事实上，波长很小的电磁波在比它尺度更小或差不多的结构上也一样容易发生衍射，比如材料科学中常用的X射线衍射来探测晶体结构。
所以从以上角度来说，衍射能力与穿透力本质上不是一码事。但是 @Ada Zhu 的观点也不是没有道理，他是从“光子的弹性与非弹性碰撞”的角度看电磁波与物质的相互作用。
3、X光成像就是运用X射线波段的电磁波对骨质和机体其他组织的透射率不同，在底片上感光程度不一样的原理。

编辑于 2014-01-25 2 条评论感