電磁波波長與穿透力的關係是什麼？

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什麼叫穿透力？衍射與穿透力是什麼關係？ X光照射人體得到圖像的原理是什麼？

非常感謝題主的問題，讓我有機會好好想一想。基礎知識很渣，只能在應用物理的層面簡單說說吧，說明中遇到的我不懂的地方就標出來：

先來一個wiki詞條，簡單明了，其實不用我再廢話了。Phase-contrast X-ray imaging

電磁波/物質波 跟物質的作用可以分為兩類，彈性elastic和非彈性inelastic。

討論波跟物質的相互作用，其實把波看成粒子最容易理解，也就轉化為粒子跟粒子的碰撞。

而多個光子有三個物理性質，能量，動量，和偏振。

彈性碰撞，入射粒子能量不變，方向改變 -- 彈性散射。作為波，就是波長不變，方向改變，表現為不相干散射，和相干散射——衍射，如果是界面，則為折射，反射。

非彈性碰撞，入射粒子能量改變，比如能量被物質吸收。作為光子，一是光子消失，光子數減少；二是一個光子被吸收，然後另一個能量不同的光子因此被射出，比如拉曼散射；三是，光子跟自由電子碰撞，能量改變，這是康普頓散射。

（關於偏振狀態，我接觸到的只有偏振吸收光譜，不知道有沒有隻改變偏振不改變能量的情況。對於電子，自旋改變，電子的能量也改變，不知光改變自旋會不會改變能量，請高手指導。【1】）

穿透力，如果理解為光子穿過物質後既沒改變能量也沒改變方向，那麼就要把參與彈性碰撞和非彈性碰撞的光子數都去掉，看最終沒經過任何作用的光子數。也就是說衍射（如果有的話）降低穿透力。

由於X光是電磁波，物質對它的散射主要來自於電子，散射截面正比於物質電子密度。對於電子多的元素，比如鈣就比碳更容易(概率上)散射X光 (X-ray diffraction as a promising tool to characterize bone nanocomposites)。

對於吸收，吸收率不僅跟波長有關，還跟相互作用的物質有關。簡單地說就是，分子轉動能級之間躍遷吸收的光大概是微波，原子建震動能躍遷級吸收紅外光，原子外殼層能級躍遷吸收可見光，原子內殼層能級躍遷吸收x光-紫外光，內殼層電離吸收硬X光。（當然實際情況並沒有這麼簡單）醫學X-ray imaging 主要利用元素對x光不同的吸收率 NIST: X-Ray Mass Attenuation Coefficients . 由於不同物質對X光的吸收率不同，可以把感興趣的物質從背景中分辨出來。（注意，由於是電離輻射，電離產生的自由電子對身體會有危害。）

利用吸收率不同還有幾個有趣的技術，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數的原子對偏振光的不同吸收率來研究材料。

當然分辨能力不光可以利用不同吸收率，還可以利用不同的散射率，比如 phase contract X-ray imaging, 還有 x-ray/neutron scattering也要用到X光和中子的不同散射率。

同時利用吸收和散射的技術：anomalous x ray diffraction.

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【1】是拿不準的地方，歡迎指導。

擦，看了上面的回復我真是...

穿透能力取決於物質對電磁波的吸收能力，如果定義一個吸收係數的話，電磁場能量在物質內部依照吸收係數指數衰減。物質對特定波長電磁波吸收係數的大小可以差別很大，太多物理過程可能導致物質對電磁波的吸收，可以是晶格振動，可以是電子躍遷，可以是電離，甚至更高能的吸收，這主要取決於電磁波的波長，所以理論性的考慮物質對電磁波的吸收很繁瑣，經驗的可以表示為物質的介電函數，這個東西可以測。

你說的穿透能力和衍射沒有半毛錢關係，X射線看到人體骨骼結構就是因為皮膚、器官和骨骼對X射線的吸收能力不同，所以穿透以後可以形成襯度而成像，就像陽光穿不透你的寂寞而形成影子一樣。

粗略談談我的理解。

1、穿透力一般應該理解為透射率，透射率與吸收率是互補的，二者之和應為1。也就是說，電磁波入射到某種材料上的透射率高，是因為這種材料對此波段的電磁波吸收率小。決定吸收率大小的是組成這種物質的原子或分子本身存在的能級差。能級包括原子的外層電子能級、內層電子能級，分子的振動、轉動能級等，本質是由原子分子的各種運動產生的能量值。電磁波頻率（與波長成反比）如果正好對應某個能級差值（能量 $=$ 普朗克常數 $imes$ 頻率），就會與物質內部的原子分子能相互作用（從經典力學的角度看這就是共振），電磁波的能量傳遞給原子分子從而使它們獲得能量發生能級躍遷（獲得更高的能量值），也就是說電磁波被物質吸收了。不同物質的原子分子內部同一類運動狀態的能級值分布不一樣，而同一種原子分子的不同類型運動狀態的能級值更是差別很大。因此，不同物質對各種波段電磁波的吸收率是不一樣的，同一種物質對電磁波的吸收情況也就形成它獨有的光譜帶。

「波長越短穿透力越強」沒錯，這裡的穿透力大概是指電磁波對物質的損傷力，因為波長短頻率就高，當頻率很高達到與原子分子的電離能在一個量級（電離能即外層電子完全脫離原子核的束縛形成自由電子所需要的能量）就會使物質電離以致破壞其化學鍵，這樣就損害了機體的正常功能。高能射線對人體的傷害也正是這個原因。

PS：以上所述就是 @Ada Zhu 所提到的「非彈性散射」中光子數減少的情形，也是最普遍情形。他提到的拉曼散射和康普頓散射並不具普遍性：拉曼散射中拉曼信號十分微弱；康普頓散射研究的只是高能光子與「自由電子」這一種物質的相互作用。

2、至於衍射，則考慮的是電磁波入射到某種結構，而不是構建這種結構的物質本身的情形，也就是說衍射並不考慮波與原子分子的相互作用。樓上有人說波長越大越容易發生衍射不能等同於波長越大穿透力越強：首先，衍射不是透過障礙物，衍射是障礙物構成的結構對波動場相位分布施加影響的結果；其次，衍射的明顯程度取決於結構尺度與波長的相對大小，波長越大越容易與我們周圍的宏觀結構發生衍射，比如水波聲波的衍射、光學中的光柵衍射、圓孔衍射等等，所以波長越大越容易肉眼觀察到衍射，而不是波長越大越容易衍射。事實上，波長很小的電磁波在比它尺度更小或差不多的結構上也一樣容易發生衍射，比如材料科學中常用的X射線衍射來探測晶體結構。

所以從以上角度來說，衍射能力與穿透力本質上不是一碼事。但是 @Ada Zhu 的觀點也不是沒有道理，他是從「光子的彈性與非彈性碰撞」的角度看電磁波與物質的相互作用。

3、X光成像就是運用X射線波段的電磁波對骨質和機體其他組織的透射率不同，在底片上感光程度不一樣的原理。

穿透深度是和材料有關係的。材料的介電常數是一個複數 $epsilon$ 。電磁波傳播的波矢k，根據麥克斯韋方程組，可以得到 $k=omega sqrt{epsilon mu }$ ，其中 $omega$ 是電磁波的圓頻率， $epsilon$ 和 $mu$ 分別是材料的介電常數和磁導率。由於 $epsilon$ 是複數，所以k也會是一個複數，寫成 $k=alpha +ieta$ ，材料的穿透深度 $d$ 就是 $frac{1}{eta }$ .

至於更近一步的為啥，如果你大學裡學過一點電磁學的話，就會知道電磁波可以寫成這樣的波動方程： $E=exp(iar{k}ar{r} )$ 。如果k有虛部的話，整個e指數就可以提出一個e的負指數作為整個式子的衰減係數。如： $E=exp(i(alpha +ieta ) imes r)=exp(-eta r) imes exp(ialpha r)$

隨著r的增加（即電磁波的傳播）這個衰減係數就會調製整個電磁波衰減。

當然了，你提到的和波長的關係，其實在這裡也是可以看出來的，因為 $omega$ 是和波長有關的， $omega$ 越大，波長越小， $eta$ 也越大。所以一般來說，波長小的穿透的深度會比較短。

衰減掉的電磁波以熱的形式耗散了。

X射線的原理么，我認為是這樣的，肌肉和骨骼的材料是不一樣的，X射線的波長短，所以在肌肉組織中的穿透深度就比較短。而骨骼則不然。所以在感光的乳膠上，骨骼部分的投影會被清晰地投影出來。

至於衍射和穿透力的關係……吾覺得毫無關係啊。

也許你是想問X射線晶格衍射相關的東西。可是這和「穿透力」關係不是很大呀。

嘻嘻

1波長越長，穿透力越大。短波無線電通信能傳很遠，紅外光能跨越表皮傳入基體。紫外線隨便一張紙就擋住了。別說激光穿蝕和X射線，與此原理都不一樣

2波長越長，越容易繞過大的障礙物發生衍射。

3X射線透視和CT都是X光打在電子密度大的重原子上。造影劑包括金，碘等任何原子序數大的原子。在密度高的器官，如骨骼上，X射線透射率低。所以可以做到透視，探傷，測量骨密度等功能。

波長短，能量大，穿透力強。好多軍用的都是短波。具體可以看《上帝擲骰子嗎》的第一章

電磁波和光波一樣，同時具有波粒二象性，樓上的分析從不同的角度分析，都有可取之處。

對於搞雷達的，一般認為波長越短，穿透力越強。

僅僅是穿透的話應該是波長越短穿透力越強

尤其電離輻射穿透力都是較強的傷害性也大

而無線電波微波紅外可見光什麼的就差得遠了...

根據我對高中物理依稀的記憶。。。波長越短，能量越大，穿透能里越強。。。所謂的穿透能力個人認為可以通過同功率的電磁波經過同樣厚度的障礙物損耗百分比的不同來體現吧？衍射是與電磁波波長有關係的，從一定意義上來說也就是和穿透力有關係，具體關係忘了，不搞物理好多年。。。X光照射人體就是投影吧，只不過骨頭會產生陰影，血肉、皮膚會被穿透罷了，簡單的說就是玻璃窗上有窗花，陽光照射玻璃窗，地上的影子和X光照射人體的圖片類似了。。。

再次建議樓主專心查查物理書，國內的基礎教育還是很全面的。