白炽灯可以产生 X 射线吗？ 第1页

白炽灯不能产生X射线，但是白炽灯和产生X射线略有渊源。 @张子立 老师已经对原理进行了比较清晰的回答。这里我就白炽灯和X射线产生补充一些有趣的细节。

其他回答中已经提到，产生X射线可以采用电子撞击高原子序数靶搞定，这是目前绝大多数X射线产生装置，比如X光管和电子加速器的原理（除了这类，还有一种非常高大上的办法叫同步辐射）。这类装置要解决的第一个问题是，怎么搞出电子来。

为了说明这个问题，首先来点儿科研八卦。

和白炽灯这玩意儿相关最著名的发明家是T.A.爱迪生。其实在白炽灯之前已经有了用电照明的设备，比如电烛。感兴趣的小朋友可以弄两根粗点儿的铅笔芯，削尖了把尖端对在一起，接上9伏直流电池，调节好间距，两个尖端之间可以发出很亮的光。爱迪生发明的白炽灯对于电烛而言实用性和可靠性大大提高，赚得钵满盆翻，不在话下。

爱迪生发明灯泡，经常被人理解成玩命穷举的过程以至于在我国初等教育被作为百分之九十九的血汗重要性的说明。但是据说此公研究白炽灯的时候技术路线非常明确，就是使用耐高温的碳基材料进行实验。在1880年代早期，使用碳化的竹子做的灯丝取得了很大的进展，但是一个问题是这类灯泡在使用几个小时之后，灯丝上的碳会在灯泡内壁沉积，使得灯泡透光率下降，这是个比较要命的问题。

爱迪生决意解决这个问题，他认为问题不仅仅是碳的输运，而且这个过程伴随着电荷转移，也就是在灯丝和灯泡内壁之间有电荷的传递。为了对转移的电荷进行测量，他设计了一个特殊的灯泡，即在竹丝灯泡灯丝中间增加了一个金属电极，这样就可以对灯丝发射出来的电荷进行测量。

实验的结果是，爱迪生的猜想是正确的。灯丝确实有电荷发射，但问题是爱迪生没法解释这个现象。按我们现在物理系博士生常用的口头禅，就是这问题的物理机制没法说清楚。今天我们开放上帝视角，知道在彼时J.J.汤姆逊大爷尚未搞定电子发现（这事儿在1897年），这就像连猪都没见过，怎么能说清楚猪怎么跑的机制？而且这个方法对于防止灯泡内壁的污染没有什么卵用。所以爱迪生就把这个效应申请了专利（1883年11月15日，专利号US307031），然后就忙着改进灯泡赚大钱去了。

值的一提的是，据记载这类电荷发射现象早在1725年已经有人观测到，而且在爱迪生之前的还有好几拨，甚至不乏有总结和定量研究。爱迪生的牛逼之处在于他成功地利用这种效应使电报探测机发声，然后拿到1884年费城的坤舆电器展上展览。然后就有个英国哥们买个几个这样灯泡研究了一番然后在次年发表paper并命名这种发射为“爱迪生效应”。可见有钱人不缺吹鼓手，自古皆然。

然后到了后来，有个叫J.A.弗莱明的哥们，在1904年依靠这种效应搞出来了二极管。后边的事情在科普中就大量地被引申到爱迪生效应对于20世纪电子学的发展上去了。但是对搞物理的诸君而言，机制还没搞清楚，这可是个大问题啊。然后J.J.汤姆逊大爷乘着电子荷质比测量这一诺奖级工作的东风在1899年更加深入地进行了这类研究，发现了爱迪生效应发射的电荷是电子。稍后汤姆逊的学生，O.W.理查德逊，在排除背景气体这个问题上做出了关键的判断（这一点和白炽灯不同，现代的白炽灯内部是是充惰性气体的。但是爱迪生年代的白炽灯确实是抽真空的，这一点反而和X光管更为接近），最后得到了热电子发射定律，并荣膺1928年诺贝尔物理学奖。

理查德逊定律简言之，就是热体发出的饱和电流密度和温度相关，温度越高，电子发射越猛。但是温度不能无限提高，因为到达一定温度后，电子发射体可能由于高温熔化，这也是发射体常用钨制作的原因，钨的熔点高，这一点和白炽灯殊途同归。

在通过热发射产生了电子之后，就可以使用电场加速电子，然后撞击在钨或者钽这类重元素靶上产生X射线。加速电压越高，产生的电子能量越高，X射线能量也随之提高。对于题主所说的1万伏电压，对于各类X光设备基本是湿湿碎毛毛雨。给一个量级概念的话，地铁站安检机和医用CT通常的X光能量在大几十到一百多keV，对轿车和SUV等小型车检查用的X光设备通常在几百keV。这类能量的X射线直接用X光管，施加电压对热发射的电子加速即可。

但是对于车辆检查用的X射线，能量需要几个MeV。直接施加高电压加速电子，设备可能存在绝缘问题，所以这类X射线通常采用加速器加速电子产生。用于大型货物安检的电子感应加速器，产生和加速电子用的加速枪形状有点像做成甜甜圈的灯泡，里边也是通过钨的热发射产生电子，然后通过涡旋电场加速，最后轰击在钽或者钨靶上产生X射线。

在解决了电子有无的问题之后，第二个问题是解决量的问题。对于X射线来说，亮度也是一个很大的问题，尤其是对很多特殊场合的应用，这就要求发射出来的电子要够多。前边已经提到，光靠提高温度是有限制的。另个一办法是施加电场，通过量子隧穿效应使电子克服表面势垒发射。场致发射比热发射最大的优点是电子能量的均一度更高，因而在电子显微镜和显示器技术上得到应用。

产生甚高通量X射线的一种方法是，对材料表面通上升速度在纳秒级别的高电压脉冲，材料表面的微凸起附近会产生非常强的场致发射，发射会使表面微米区域的温度急速提高，产生爆炸，形成等离子体。等离子体中含有大量自由电子，对等离子体中的电子通过加速电压引出，可以产生强度超过数千安培的脉冲强电子流。这类电子流轰击在材料表面，可以直接将材料熔化甚至蒸发。如果作用于重金属靶上，可以产生强度非常高的X射线。

至于这玩意儿和白炽灯的联系么，一般别人问我研究什么东西的时候，就告诉他们我是研究和灯泡一样这类光源的，然后他们就不多问了。

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。。。。。。