X射线的发现

X射线的发现发现背景1895年，物理学已经有了相当的发展，它的几个主要部门--牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。然而,X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。人物介绍伦琴WilhelmKonradRöntgen1845-1923德国维尔茨堡大学实验物理学家X射线的发现者1901年诺贝尔物理学奖-因发现以他的名字命名的射线1845年3月27日生于德国莱茵省的雷内普（Lennep），他是纺织商人的独生子，童年时代大部分在母亲的故乡荷兰渡过。1868年伦琴毕业于瑞士苏黎世联邦工程学院，成为一名机械工程师。1869年，获哲学博士学位。由于老师孔特（A.A.Kundt）教授的影响，伦琴转而从事物理学的研究，到维尔茨堡（Würzburg）大学做孔特的助手。1872年伦琴到斯特拉斯堡大学任副教授。1875年成为霍恩海堡农业专科学校的教授。1879-1888年主持吉森大学物理学讲座。图1.1伦琴1889-1893年任耶拿大学和乌德勒兹两大学的教授。1894-1900年任维尔茨堡大学校长和慕尼黑物理研究所所长。他是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。伦琴在研究电磁现象时发现，如果令平板电容器中的介质旋转，电容器本身则是固定的，而且带上了电，旋转的介质会产生磁场，就好象有电流流动一样。这一假想的电流，人们称为伦琴电流。1923年2月10日因癌症在慕尼黑去世，享年78岁。伦琴对科学作出的最大贡献是在1895年从实验中发现了X射线，并随后对其性质进行了深入研究，从而为多种科学领域提供了一种有效的研究手段。他还有一项意义重大的发现，就是所谓的伦琴电流。此外，他还在弹性、液体的毛细作用、气体比热、热在晶体中的传导、压电效应以及偏振光的磁致旋转等方面也都有研究。伦琴对科学有崇高的献身精神。他无条件地把X射线的发现奉献给全人类，自己没有申请专利。发现的过程1895年，伦琴已经是五十岁的人了，当时他正担任维尔茨堡大学校长和该校物理研究所所长。1895年11月8日，正当伦琴继续在实验室里从事阴极射线的实验工作，一个偶然事件吸引了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严。他突然发现在不超过一米远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧屏发出闪光。他很奇怪，就移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光，仍随放电过程的节拍断续出现。他取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间，发现不同的物品效果很不一样。有的挡不住，有的起到一定的阻挡作用。伦琴意识到这可能是某种特殊的射线，它具有特别强的穿透力，从来没有观察到过。于是立刻集中全部精力进行彻底的研究。他一连许多天把自己关在实验室里，连自己的助手和家人都不告知。他把密封在木盒中的砝码放在这一射线的照射下拍照，得到了模糊的砝码照片；他把指南针拿来拍照，得到金属边框的深迹；他把金属片拿来拍照，拍出了金属片内部不均匀的情况。他深深地沉浸在这一新奇现象的探讨中，达到了废寝忘食的地步。平时一直帮他工作的伦琴夫人感到他举止反常，以为他有什么事情瞒着自己，甚至产生了怀疑。六个星期过去了，伦琴已经确认这是一种新的射线。才告诉自己的亲人。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手X射线照片（如图1.2）。1895年年底，他以通信方式将这一发现公之于众。题为《一种新射线（初步通信）》。发现的突破点X射线实质上是波长极短（波长约为10－9～10－10米）的电磁波，阴极射线既然是由高速电子流组成，这些电子打到电极上，与电极里的原子相撞后速度骤减必然会辐射这种电磁波（连续谱）；与此同时，原子的内层电子也会被激发，跃迁到高能级，空出的低能级将由外层电子填补，于是也会辐射这种电磁波（标识谱）。所以可以说，X射线是阴极射线的伴生物。伦琴在一开始并没弄清楚X射线的本质。因为当时电子还未发现，阴极射线的本质还没有搞清楚。因此伦琴把这种新发现的射线取名为X射线。在伦琴之前，就有人在研究阴极射线的过程中发现了X射线，但没有得出正确的认识。而伦琴经过长期磨炼，掌握了完美的实验艺术，摆脱了任何偏见，在研究中一贯严谨自觉，才抓住机遇作出别人作不出的新发现。正如法国微生物学家巴斯德的名言：“机遇偏爱有准备的头脑。”图1.2第一张人手X射线照片图１.3X射线管的结构对科学史的影响由于X射线有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗上和金属检测上有重大的应用价值，因此引起了人们的极大兴趣。一个月内许多国家都竞相开展类似的试验。一股热潮席卷欧美，盛况空前。X射线迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。X射线的发现对自然科学的发展更有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。由于科学家探索X射线的本质，发现了X射线的衍射现象，并由此打开了研究晶体结构的大门；根据晶体衍射的数据，可以精确地求出阿伏加德罗常量。在研究X射线的性质时，还发现X射线具有标识谱线，其波长有特定值，和X射线管阳极元素的原子内层电子的状态有关，由此可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况。此外，X射线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。可见，X射线的发现打开了近代物理学的大门。趣闻轶事关于X射线的发现的历史回顾：1880年，德国物理学家哥尔茨坦在研究阴极射线时就注意到阴极射线管壁上会发出一种特殊的辐射，使管内的荧光屏发光，当时他正在为阴极射线是以太的波动这个错误论点辩护，他写道：“把荧光屏这样放到管子内部，即不让阴极发出的射线直接照射，但这射线冲击到的壁上所发出的辐射却可直接照射到，于是荧光屏就受到了激发，这个事实确凿地证明了以太理论。”由于哥尔茨坦一心要证明阴极射线的以太说，他认为荧光屏发出这样一种特殊的荧光，正是以太说的一个证据。他到此也就心满意足了，没有想进一步追查根源，当然也就错过了发现X射线的机会。这篇论文用德文和英文同时发表，当时关心阴极射线本质这一重大争论的物理学家想必都能读到。然而，令人深思的是，15年过去了，竟没有人问一问荧光屏为什么在遮去阴极射线后还会发光。1895年前，很多人就已经知道照相底片不能存放在阴极射线装置旁边，否则有可能变黑。例如，英国牛津有一位物理学家叫斯密士（F.Smith），他发现保存在盒中的底片变黑了，这个盒子就搁在克鲁克斯放电管附近。他只是叫助手把底片放到别的地方保存，而没有认真追究原因。1887年，克鲁克斯（W.Crookes）也曾发现过类似现象。他把变黑的底片退还厂家，认为是底片质量有问题。1890年2月22日，美国宾夕法尼亚大学的古茨彼德（A.W.Goodspeed）有过同样遭遇，他和朋友金宁斯（W.N.Jennings）拍摄电火花和电刷放电以后，没有及时整理现场，桌上杂乱地放着感过光的底片盒和其它一些用具。这时古茨彼德拿出一些克鲁克斯管给友人看，图1.4古茨彼德的X射线照片并向他作了表演。第二天金宁斯把底片冲洗出来，发现非常奇怪的现象：两个圆盘叠在火花轨迹之上(图1.4)，没有人能够解释这个奇怪的效应。底片就跟其它废片一起放到一边，被人遗忘了。六年后，当伦琴宣布发现X射线后，古茨彼德想起了这件事，把那张底片找了出来，重新加以研究。他把桌上的布置按原样摆设，结果得到了同样的照片。图1.4古茨彼德的X射线照片1896年2月22日，古茨彼德在宾夕法尼亚大学作了一次关于伦琴射线的演讲，在结束时讲到他当初实验的故事，说道：“我们不能要求伦琴射线的发现权，因为我们没有作出发现。我们能提出的顶多就是：先生们，您们记住六年前的这一天，世界上第一张用阴极射线得到的图片就是在宾夕法尼亚大学物理实验室得到的。”1894年，J.J.汤姆生在测阴极射线速度时，就有观察到X射线的记录。他没有工夫专注于这一偶然现象，但在论文中如实地作了报道。他写道：“我察觉到在放电管几英尺远处的普通德制玻璃管道中发出荧光，可是在这一情况下，光要穿过真空管壁和相当厚的空气层才能达到荧光体。”勒纳是研究阴级射线的权威学者之一，他在从事研究不同物质对阴极射线的吸收时，肯定也“遇见过”X射线，他大概是由于荧光屏涂的是一种只对阴极射线敏感的材料而未获明确结论。但他绐终对伦琴占了发现的优先权而耿耿于怀。甚至1905年他获诺贝尔物理奖时还说：“其实，我曾经做过好几个观测，当时解释不了，准备留待以后研究--不幸没有及时开始--这一定是波动辐射的轨迹的效应。”其实，勒纳即使当时宣布观测到了X射线，也不能认为他是X射线的发现者，因为当伦琴宣布X射线的发现以后，他还认为X射线是速度无限大的阴极射线，把阴极射线和X射线混淆在一起，而伦琴早在1896年就宣布X射线不带电，与阴极射线有本质的区别。