X射线的发展历程

X射线的发展史X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1896年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。X射线的发现为诸多科学领域提供了一种行之有效的研究手段。X射线的发现和研究，对20世纪以来的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。失之交臂1836年，英国科学家迈克尔.法拉第（MichaelFaraday，1791-1867）（左图）发现，在稀薄气体中放电时会产生一种绚丽的辉光。后来，物理学家把这种辉光称为“阴极射线”，因为它是由阴极发出的。1861年，英国科学家威廉.克鲁克斯（WilliamCrookes，1832-1919）（右图）发现通电的阴极射线管在放电时会产生亮光，于是就把它拍下来，可是显影后发现整张干版上什么也没照上，一片模糊。他以为干版旧了，又用新干版连续照了三次，依然如此。克鲁克斯的实验室非常简陋，他认为是干版有毛病，退给了厂家。他也曾发现抽屉里保存在暗盒里的胶卷莫名其妙地感光报废了，他找到胶片厂商，指斥其产品低劣。一个伟大的发现与他失之交臂，直到伦琴发现了X光，克鲁克斯才恍然大悟。在伦琴发现X光的五年前，美国科学家古德斯柏德在实验室里偶然洗出了一张X射线的透视底片。但他归因于照片的冲洗药水或冲洗技术，便把这一“偶然”弃之于垃圾堆中。发现X射线1895年10月，德国实验物理学家伦琴（WilhelmKonradRontgen，1854～1923）（左图）也发现了干板底片“跑光”现象，他决心查个水落石出。伦琴吃住在实验室，一连做了7个星期的秘密实验。11月8日，伦琴用克鲁克斯阴极射线管做实验，他用黑纸把管严密地包起来，只留下一条窄缝。他发现电流通过时，两米开外一个涂了亚铂氰化钡的小屏发出明亮的荧光。如果用厚书、2-3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过，只要它们不太厚。使伦琴更为惊讶的是，当他把手放在纸屏前时，纸屏上留下了手骨的阴影。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。伦琴用这种射线拍摄了他夫人的手的照片，显示出手的骨骼结构。（右图）1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯《一种新射线——初步报告》。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线（数学上经常使用的未知数符号X），因为他当时无法确定这一新射线的本质。伦琴的这一发现立即引起了强烈的反响：1896年1月4日柏林物理学会成立50周年纪念展览会上展出X射线照片。1月5日维也纳《新闻报》抢先作了报道；1月6日伦敦《每日纪事》向全世界发布消息，宣告发现X射线。这些宣传，轰动了当时国际学术界，伦琴的论文在3个月之内就印刷了5次，立即被译成英、法、意、俄等国文字。X射线作为世纪之交的三大发现之一，引起了学术界极大的研究热情。此后，伦琴发表了《论一种新型的射线》、《关于X射线的进一步观察》等一系列研究论文。1901年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于发现X射线而获得了这一年的物理学奖[1]。伦琴发现X射线使X射线研究迅速升温，几乎所有的欧洲实验室都立即用X射线管来进行试验和拍照。几个星期之后，X射线已开始被医学家利用。医生应用X射线准确地显示了人体的骨骼，这是物理学的新发现在医学中最迅速的应用。随后，创立了用X射线检查食道、肠道和胃的方法，受检查者吞服一种造影剂（如硫酸钡），再经X射线照射，便可显示出病变部位的情景。以后又发明了用于检查人体内脏其他一些部位的造影剂。X射线诊断仪在相当一个时期内一直作为医院中最重要的诊断仪器。为纪念伦琴对物理学的贡献，后人也称X射线为伦琴射线，并以伦琴的名字作为X射线等的照射量单位。偏振性及标识X射线自伦琴发现X射线后，许多物理学家都在积极地研究和探索。1897年，法国物理学家塞格纳克（G.M.M.Sagnac，1869-1926）发现X射线还有一种效应引人注目，当它照射到物质上时会产生二次辐射，这种二次辐射是漫反射，比入射的X射线更容易吸收。这一发现为以后研究X射线的性质作了准备。1906年英国物理学家巴克拉（CharlesGloverBarkla，1877-1944）（左图）在塞格纳克的基础上做实验，他将X射线管发出的X射线以45°角辐照在散射物A上（右图），从A发出的二次辐射又以45°角投向散射物B，再从垂直于二次辐射的各个方向观察三次辐射，发现强度有很大变化，沿着既垂直于入射射线又垂直于二次辐射的方向强度最弱。由此巴克拉得出了X射线具有偏振性的结论。根据X射线的偏振性，人们开始认识到X射线和普通光是类似的。偏振性的发现对认识X射线的本质虽然前进了一大步，但还不足以判定X射线是波还是粒子，因为粒子也能解释这一现象，只要假设这种粒子具有旋转性就可以了。1907-1908年，一场关于X射线是波还是粒子的争论在巴克拉和英国物理学家亨利.布拉格（WilliamHenryBragg，1862-l942）（右图）之间展开。亨利.布拉格根据γ射线能使原子电离，在电场和磁场中不受偏转以及穿透力极强等事实，主张γ射线是由中性偶——电子和正电荷组成。他认为X射线也一样，并由此解释了已知的各种X射线现象。巴克拉坚持X射线的波动性。两人在科学期刊上展开了辩论，双方都有一些实验事实支持。这场争论虽然没有得出明确结论，但还是给科学界留下了深刻印象。巴克拉关于X射线的偏振实验和波动性观点可以说是后来劳厄发现X射线衍射的前奏。巴克拉最重要的贡献是发现了元素发出的X射线辐射都具有和该元素有关的特征谱线（也叫标识谱线）。巴克拉在实验中发现，不管元素已化合成什么化合物，它们总是发射一种硬度的X射线，当原子量增大时，标识X射线的穿透本领会随着增大。这说明X射线具有标识特定元素的特性。1909年，巴克拉和他的学生沙德勒（C.A.Sadler）在进一步的实验中发现，标识谱线其实并不均匀，它可以再分为硬的成分和软的成分。他们把硬的成分称为K线，把软的成分称为L线。每种元素都有其特定的K线和L线。这些谱线的吸收率与发射元素的原子量之间近似有线性关系，却跟普通光谱不同，不呈周期性。X射线标识谱线对建立原子结构理论极为重要。巴克拉由于发现标识X射线在1917年获得了诺贝尔物理学奖[4]。晶体X射线衍射当时，X射线究竟是微小的质点束，还是像光一样的波状辐射，一直悬而未决。有一种鉴定方法就是看X射线能否借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射（即改变射线方向）。要想得到适当的衍射，这些细线的间距必须大致与辐射线的波长大小相等。当时最密的人工衍射光栅，适用于一般光线。由X射线的穿透力得知，若X射线像波一样，则其波长要短得多——可能只有可见光波长的千分之一。制作如此精细的光栅完全是不可能的。德国物理学家劳厄（MaxvonLaue,1879-1960）（左图）想到，如果人工做不出这样的光栅，自然界中的晶体也许能行。晶体是一种几何形状整齐的固体，而在固体平面之间有特定的角度，并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体结构的原子有次序地排列的结果。一层原子和另一层原子之间的距离大约是X射线波长的大小。如果这样，晶体应能使X射线衍射。劳厄的老板，物理学家阿诺德.索末菲（ArnoldSommerfeld,1868-1951）（左图）认为这一想法荒诞不经，劝说他不要在这上面浪费时间。但到了1912年，两个学生证实了劳厄的预言。他们把一束Ｘ光射向硫化锌晶体，在感光版上捕捉到了散射现象，即后来所称的劳厄相片。感光版冲洗出来之后，他们发现了圆形排列的亮点和暗点—衍射图（右图）。劳厄证明了Ｘ光具有波的性质。《自然》杂志把这一发现称为“我们时代最伟大、意义最深远的发现”。劳厄证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线的干涉现象》一文。两年后，也就是1914年，这一发现为劳厄赢得了诺贝尔物理学奖[2]。劳厄发现X射线衍射有两个重大意义。它表明了Ｘ射线是一种波，对X射线的认识迈出了关键的一步,这样科学家就可以确定它们的波长，并制作仪器对不同的波长加以分辨（与可见光一样，Ｘ射线具有不同的波长）。另一方面，这一发现在第二个领域结出了更为丰硕的成果，第一次对晶体的空间点阵假说作出了实验验证，使晶体物理学发生了质的飞跃。一旦获得了波长一定的光束，研究人员就能利用Ｘ光来研究晶体光栅的空间排列：Ｘ射线晶体学成为在原子水平研究三维物质结构的首枚探测器。这一发现继佩兰（Perrin）的布朗运动实验之后，又一次向科学界提供证据，证明原子的真实性。此后，X射线学在理论和实验方法上飞速发展，形成了一门内容极其丰富、应用极其广泛的综合学科。晶体结构分析劳厄的文章发表不久，引起了英国布拉格父子的关注，当时老布拉格，即亨利.布拉格（WilliamHenryBragg1862-1942）（右图）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格，即劳伦斯·布拉格（WilliamLawrenceBragg，1890-1971）（左图）刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室工作。由于都是X射线微粒论者，两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式，清楚地解释了X射线晶体衍射的形成，并提出著名的布拉格公式：2dsinθ=nλ。这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。1912年11月，小布位格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格于1913年1月设计出第一台X射线光谱仪（右图），并利用这台仪器，发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说非常重要，充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性，使其开始为物理学家和化学家普遍接受。布拉格父子因在用X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了1915年的诺贝尔物理学奖[3]。热阴极管X光管分为充气管和真空管两类。1895年伦琴发现X射线时使用的是克鲁克斯发明的阴极射线管——即最早的充气X射线管，但因其功率小、寿命短、控制困难，应用不便。当时为了得到清晰的X光照片，甚至需要曝光一个小时以上。1912-1913年，美国科学家威廉.考林杰（WilliamDavidCoolidge,1873-1975）（左图）发明了热阴极管——即真空X射线管（右图）。它可提供可靠的电子束，改善线质和穿透性，避免了含气管的不稳定性。其阴极为直热式螺旋钨丝，阳极为铜块端面镶嵌的金属靶，管内真空度不低于10-4帕。阴极发射出的电子经数万至数十万伏高压加速后撞击靶面产生X射线，大大缩短了需要曝光的时间，为促进X射线的研究起了很大作用，还为发现肺病出了很大贡献。热阴极管以后又经过许多改进，至今仍在应用。X射线光谱1914年，英国物理学家莫塞莱（HenryMoseley,1887-1915）（左图）用布拉格X射线光谱仪研究不同元素的X射线，取得了重大成果。莫塞莱发现，以不同元素作为产生X射线的靶时，所产生的特征X射线的波长不同。他把各种元素按所产生的特征X射线的波长排列后，发现其次序与元素周期表中的次序一致，他称这个次序为原子序数，认为元素性质是其原子序数的周期函数。原子序数把各种元素基本上按原子量递增的顺序排列成一个系列，可是却比按原子量递增排列得到更合理的顺序。关于原子序数的发现被称为莫塞莱定律。瑞典物理学家卡尔.西格班（KarlManneGeorgSiegbahn，1886-1978）（右图）继承和发展了莫塞莱的研究，他改进了真空泵的设计，他设计的X射线管，可使曝光时间大大缩短，从而使他的测量精度大为提高。因此他能够对X射线谱系作出精确的分析。他测量波长的