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倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen)射線,又稱「X射線」(X-Ray)。它是一種波長很短的電磁輻射,其波長約為(20~0.06)×10-8厘米之間。倫琴射線具有很高的穿透本領,能透過許多對可見光不透明的物質,如墨紙、木料等。

1 倫琴射線 -倫琴射線


 倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen)射線,又稱「X射線」(X-Ray)。

它是一種波長很短的電磁輻射,其波長約為(20~0.06)×10-8厘米之間。倫琴射線具有很高的穿透本領,能透過許多對可見光不透明的物質,如墨紙、木料等。這種肉眼看不見的射線可以使很多固體材料發生可見的熒光,使照相底片感光以及空氣電離等效應,波長越短的X射線能量越大,叫做硬X射線,波長長的X射線能量較低,稱為軟X射線。當在真空中,高速運動的電子轟擊金屬靶時,靶就放出X射線,這就是X射線管的結構原理。放出的X射線分為兩類:(1)如果被靶阻擋的電子的能量,不越過一定限度時,只發射連續光譜的輻射。這種輻射叫做軔致輻射;(2)一種不連續的,它只有幾條特殊的線狀光譜,這種發射線狀光譜的輻射叫做特徵輻射。連續光譜的性質和靶材料無關,而特徵光譜和靶材料有關,不同的材料有不同的特徵光譜這就是為什麼稱之為「特徵」的原因。

X射線的特徵是波長非常短,頻率很高。因此X射線必定是由於原子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的。所以X射線光譜是原子中最靠內層的電子躍遷時發出來的,而光學光譜則是外層的電子躍遷時發射出來的。X射線在電場磁場中不偏轉。這說明X射線是不帶電的粒子流。1906年,實驗證明X射線是波長很短的一種電磁波,因此能產生干涉、衍射現象。X射線用來幫助人們進行醫學診斷和治療;用於工業上的非破壞性材料的檢查;在基礎科學和應用科學領域內,被廣泛用於晶體結構分析,及通過X射線光譜和X射線吸收進行化學分析和原子結構的研究。

2 倫琴射線 -X射線的發現與發展

19世紀末,物理學的天空,猛然閃出了三道金色的閃電,照亮了正在世紀末的陰雲下艱難跋涉的人們,人類的目光終於不再凝重。這三道閃電就是:1895年倫琴發現的X射線;1896年柏克勒爾發現的天然放射性;1897年湯姆生髮現的電子,正所謂一年一道閃電,道道輝煌燦爛。以這著名的三大發現作為堅實的基礎,人們又進一步研究發現了原子的可變性的大量化學同位素。與此同時,人類認識也開始長驅直入到原子核內部。原子不可分的神話被毫不留情地打破,為現代電子技術這座摩天大樓夯下了厚重的基礎。這三大發現是科學技術從19世紀進入20世紀的隆隆禮炮,它莊嚴地宣告:科學技術新時代來到了。而新物理學完全可以說是從1895年,德國的倫琴(1845~1923)教授發現了X射線時開始的。當然,在這之前,已經有無數的學者對氣體中的放電投入了特別的關注,並進行了大量的實驗,尤其是法拉第、普呂克爾、蓋斯勒、克魯克斯和湯姆生爵士。其實早在18世紀上半葉,德國的文克勒先生,就曾經用一架起電機,使在抽去了一部分空氣的玻璃瓶里,因放電而產生了一種前所未見的光。令人遺憾的是,文克勒只是記錄下了這種神秘的光,卻沒有能夠深入持久地研究下去。

1836年,卓越的法拉第先生也饒有興趣地注意到了低壓氣體中的神秘的放電現象。他並且還企圖來試驗一下真空放電。然而,由於無法獲得高真空,他的這一想法也只能流產。接下來,歷史的重任又落到了德國波恩大學的普呂克爾的肩上。普呂克爾總是在思考著這樣一個問題:當電在不同的大氣壓下,通過空氣或者其他氣體的時候,究竟會發生什麼樣的現象呢?這個問題苦苦地折磨著他,無論醒里夢裡,無論白日黑夜,普呂克爾決心搞清楚這個問題,不然,他會永無寧日的。普呂克爾找到了優秀的玻璃工匠蓋斯勒先生,因為要想找到問題的答案,得需要一個玻璃管,而且在管的兩端封入裝上輸入電流用的金屬體,並需要能把玻璃管內的壓力減少到最低值的抽氣泵。蓋斯勒先生沒有辜負普呂克爾的殷切厚望,1850年,成功地研製出稀薄氣體放電用的玻璃管。普呂克爾真是激動萬分,久久地握住蓋斯勒的手不放,他打心眼裡感激這位厚道的工匠。利用這個玻璃管,普呂克爾實現了低壓放電發光,再次捕捉到了那道神秘的電光,並把這種電光深深地銘刻在心。科學的道路是沒有盡頭的。蓋斯勒不無遺憾地發現,抽空的玻璃管放電發光的亮度不同,是同玻璃管抽成真空的程度有關係的。而普呂克爾也多麼地希望有一台真正的抽氣機,從而創造出一段絕對的真空啊!兩人不謀而合。這對科學上的真正的朋友,再度攜起手來,向著未知的世界一路求索而去。

在科學史上,托里拆利曾經用水銀代替水,形成了「托里拆利真空」,這對蓋斯勒震動很大,他因此則設想,流水式抽氣泵要是改用流汞效果一定會更好一些的。蓋斯勒找來了有關抽氣機用水銀的大量資料,又經過無數次試驗,最後決定利用水銀比水重13倍的比重差,來提高流水式抽氣泵的性能。功夫不負有心人。無數次的失敗以後,蓋斯勒終於研製成功一種實用、簡單而且可靠的水銀泵,用這種泵幾乎可以全部抽空玻璃管中的空氣,人類製造真空的夢想終於成真。

用水銀泵抽成真空的低壓放電管,使普呂克爾先生完成了對低壓放電現象的研究。後人為了紀念這位不同尋常的玻璃工人,就把低壓放電管命名為「蓋斯勒管」。普呂克爾利用蓋斯勒管進行了一系列的低壓放電實驗,他一次又一次地為蓋斯勒管陰極管壁上所出現的美麗的綠色輝光而嘆為觀止。1868年,為科學事業貢獻了畢生精力的普呂克爾先生,因勞累過度,心臟停止了跳動。死的時候,他的眼睛沒有閉上,他沒有完成他的事業。為他送葬的他的學生約翰·希托夫看到此情此景,不禁淚如泉湧,他決心沿著老師沒有走完的道路,繼續走下去。

而與此同時,一位英國物理學家,叫做威廉·克魯克斯的,也成了普呂克爾的這一未竟事業的繼承者。當他們把一隻裝有鉑電極的玻璃管,用抽氣機逐漸地抽空的時候,他們發現,管內的放電在性質上,經歷了許多次的變化,最後在玻璃管壁上或者管內的其他固體上產生了磷光效應。1896年,希托夫經過反覆的實驗證明,置放在陰極與玻璃壁之間的障礙物,可以在玻璃壁上投射陰影。同時,從陰極發射出來的光線能夠產生熒光,當它碰到玻璃管壁或者硫化鋅等物質的時候,這種光就更強。1876年,戈爾茨坦重複並證實了希托夫的實驗結果,並且把這種從陰極發射出的能產生熒光的射線,正式命名為「陰極射線」。

克魯克斯也提供了他所獲得的證據,比如說,這些射線在磁場中發生偏轉,這就說明它們是由陰極射出的荷電質點,因撞擊而產生磷光。人們還發現了陰極射線的一系列物理現象。例如,1890年,舒斯特觀察了陰極射線在磁場中的偏轉度,測量了這些假想質點的電荷與其質量的比率。他還假定這些質點的大小與原子一樣,推測出氣體離子的電荷遠比液體離子大得多。陰極射線的發現,猶如晴空里一聲霹靂,引出了諸如X射線、放射性和電子等一系列重大的發現。

3 倫琴射線 -倫琴發現X射線

在對陰極射線情有獨鐘的人群中,德國的物理學家威爾海姆·倫琴很快取得了非同凡響的收穫,並把自己的名字永遠刻在了天地之間。1845年3月27日,在德國魯爾地區一個人傑地靈的小鎮——萊尼斯,隨著「哇」的一聲啼哭,倫琴來到了人世間。倫琴是個聰明而又勤奮的孩子,在讀書期間,他就以優異的成績而深受好評。從1888年起,他從國外學成回國后,擔任了巴伐利亞州維爾茨堡大學物理研究所所長。正是在這個研究所期間,他獨具慧眼,發現了具有極強穿透力的X射線,從而聲名遠播。自從擔任物理所所長之後,他就一直孜孜不倦地研究著陰極射線,無論遇到多大的挫折,他始終都沒有放棄。在研究過程中,倫琴發現,由於克魯克斯管的高真空度,低壓放電時沒有熒光產生。

1894年,一位德國物理學家改進了克魯克斯管,他把陰極射線碰到管壁放出熒光的地方,用一塊薄薄的鋁片替換了原來的玻璃,結果,奇迹發生了,從陰極射線管中發射出來的射線,穿透薄鋁片,射到外邊來了。這位物理學家就是勒那德。勒那德還在陰極射線管的玻璃壁上打開一個薄鋁窗口,出乎意料地把陰極射線引出了管外。他接著又用一種熒光物質鉑氰化鋇塗在玻璃板上,從而創造出了能夠探測陰極射線的熒光板。當陰極射線碰到熒光板時,熒光板就會在茫茫黑夜中發出令人頭暈目眩的光亮。倫琴不止一次地重複了勒那德的實驗。1895年11月8日晚,勞累了一天的倫琴剛剛躺上了床,正想美美地做個夢。突然,好像有一股神奇的清風吹入了倫琴的靈魂深處,他趕緊一骨碌跳下了床,又好似有一個無形的神靈,牽引著他,他走到了他所熟悉的儀器旁,再次重複了勒那德的實驗。命中注定,一項石破天驚的科學奇迹產生了。倫琴欣喜地發現,這種陰極射線能夠使一米以外的熒光屏上出現閃光。為了防止熒光板受偶爾出現的管內閃光的影響,倫琴用一張包相紙的黑紙,把整個管子里三層外三層地裹得嚴嚴實實。在子夜時分,倫琴打開陰極射線管的電源,當他把熒光板靠近陰極射線管上的鋁片洞口的時候,頓時熒光板亮了,而距離稍微遠一點,熒光板又不亮了。

倫琴還發現,前一段時間緊密封存的一張底片,儘管絲毫都沒有暴露在光線下,但是因為他當時隨手就把它放在放電管的附近,現在打開一看,底片已經變得灰黑,快要壞了。這說明管內發出某種能穿透底片封套的光線。倫琴發現,一個塗有磷光質的屏幕放在這種電管附近時,即發亮光;金屬的厚片放在管與磷光屏中間時,即投射陰影;而比較輕的物質,如鋁片或木片,平時不透光,在這種射線內投射的陰影卻幾乎看不見。而它們所吸收的射線的數量大致和吸收體的厚度與密度成正比。同時,真空管內的氣體越少,線的穿透性就越高。為了獲得更加完美的實驗結果,倫琴又把一個完整的梨形陰極射線管包裹好,然後打開開關,然後他便看到了非常奇特的現象:儘管陰極射線管一點亮光也不露,但是放在遠處的熒光板竟然調皮地亮了起來。
倫琴真是欣喜若狂,他順手拿起閃閃發亮的熒光板,想吻它一下,突然,一個完整手骨的影子鬼使神差般地出現在熒光板上。
倫琴頓時嚇得不知所措,他不知這到底是在做夢,還是在做實驗,他狠狠地在手上咬了一口,手被咬得生疼,他意識到自己不是在做夢,這一切都是真的。倫琴趕緊開亮電燈,認真檢查了一遍有關的儀器,又做起了這個實驗。這時,天光已經微微發亮,在重重雲層下,一輪美麗的紅日,即將噴薄而出,給整個人類帶來她無窮無盡的光和熱。

倫琴沒有時間去想別的東西。他看到,那道奇妙的光線又被熒光板捕捉到了。他又有意識地把手放到陰極射線管和熒光板之間,一副完整的手骨影子又出現在熒光板上。倫琴終於明白,這種射線原來具有極強的穿透力和相當的硬度,可以使肌肉內的骨骼在磷光片或照片上投下陰影。這時,倫琴的夫人走了過來,給倫琴披上了一件大衣,然後輕聲地勸倫琴該去休息了。倫琴卻一把抓住了夫人的手,放在熒光板和陰極射線管之間,熒光板上又出現了夫人那完整的手骨影子。這是事實,千真萬確的事實。倫琴一下子抱住了夫人,在實驗室里足足轉了五個圈子,他太激動了,激動得不知如何是好,兩行熱淚止不住地流了下來……

次日,倫琴便開始思考這一新發現的事實,他想,這很顯然不是陰極射線,陰極射線無法穿透玻璃,這種射線卻具有巨大的能量,它能穿透玻璃,遮光的黑紙和人的手掌。為了驗證它還能穿透些什麼樣的物質,倫琴幾乎把手邊能夠拿到的東西,如木片、橡膠皮、金屬片等,都拿來做了實驗。他把這些東西一一放在射線管與熒光板之間,這種神奇的具有相當硬度的射線把它們全穿透了。倫琴又拿了一塊鉛板來,這種光線才停止了它前進的腳步。然而,限於當時的條件,倫琴對這種射線所產生的原因及性質卻知之甚少。但他在潛意識中意識到,這種射線對於人類來說,雖然是個未和的領域,但是有可能具有非常大的利用價值。為了鼓舞和鞭策更多的人們去繼續關注它,研究它,了解它並利用它,倫琴就把他所發現的這種具有無窮魅力的射線,叫做「X射線」。

1895年12月28日,倫琴把發現X射線的論文,和用X射線照出的手骨照片,一同送交維爾茨堡物理醫學學會出版。這件事,成了轟動一時的科學新聞。倫琴的論文和照片,在三個月內被連續翻印5次。大家共同分享著倫琴發現X射線的巨大歡樂。X射線的發現,給醫學和物質結構的研究帶來了新的希望,此後,產生了一系列的新發現和與之相聯繫的新技術。就在倫琴宣布發現X射線的第四天,一位美國醫生就用X射線照相發現了傷員腳上的子彈。從此,對於醫學來說,X射線就成了神奇的醫療手段。

4 倫琴射線 -柏克勒爾

如果從純粹科學的觀點來看,繼X射線這一重大發現之後,1896年,湯姆生等人又有一個更重要的發現:當這些射線通過氣體時,它們就使氣體變成異電體,在這個研究範圍內,液體電解質的離子說已經指明液體中的導電現象有著類似的機制。在X射線通過氣體以後,再加以切斷,氣體的導電性仍然可以維持一會兒,然後就慢慢地消失了。湯姆生髮現,當由於X射線的射入而變成導體的氣體,通過玻璃綿或兩個電性相反的帶電板之間時,其導電性就消失了。這就說明,氣體之所以能夠導電,是由於含有荷電的質點,這些荷電的質點一旦與玻璃綿或帶電板之一相接觸,就放出電荷。

從這些實驗可以明白,雖然離子是液體電解質中平常而永久的構造的一部分,但是,在氣體中,只有X射線或其他電離劑施加作用時才會產生離子。如果順其自然,離子就會漸漸重新結合乃至最終消失。玻璃面的表面很大,可能吸收離子或幫助離子重新結合。如果外加的電動勢相當高,便可以使離子一產生出來就馬上跑到電極上去,因而電動勢再增高,電流也不能再加大。

倫琴的發現還開創了另一研究領域,即放射現象的領域。既然X射線能對磷光質發生顯著的效應,人們很自然地就會提出這樣的問題,這種磷光質或其他天然物體,是否也可以產生類似於X射線那樣的射線呢?在這一研究中首先獲得成功的是法國物理學家亨利·柏克勒爾。

柏克勒爾出身於科學世家,他的整個家族一直都在默默地研究著熒光、磷光等發光現象。他的父親對熒光的研究在當時堪稱世界一流水平,提出了鈾化合物發生熒光的詳細機制。柏克勒爾自幼就對物理學相當痴迷,他不止一次地在內心深處宣讀誓言,一定要超出祖父、父親所作出的貢獻,為此,他作出了不知超過常人多少倍的努力。

那一天,當他冒著刺骨的冷風,參觀完倫琴X射線的照片后,他既為倫琴的發現所激動,又為自己的無所建樹而汗顏。他浮想聯翩,猜想X射線肯定與他長期研究的熒光現象有著密切的關係。在19世紀末物理大發現的輝煌樂章中,柏克勒爾註定要演奏主旋律部分了。為了進一步證實X射線與熒光的關係,他從父親那裡找來熒光物質鈾鹽,立即投入到緊張而又有條不紊的實驗中。他十分迫切地想知道鈾鹽的熒光輻射中是否含X射線,他把這種鈾鹽放在用黑紙密封的照相底片上。他在心裡想,黑色密封紙可以避陽光,不會使底片感光,如果太陽光激發出的熒光中含有X射線,就會穿透黑紙使照相底片感光。真不知道密封底片能否感光成功。

1896年2月,柏克勒爾把鈾鹽和密封的底片,一起放在晚冬的太陽光下,一連曝晒了好幾個小時。晚上,當他從暗室里大喊大叫著衝出來的時候,他激動得快要發瘋了,他所夢寐以求的現象終於出現:鈾鹽使底片感了光!他又一連重複了好幾次這樣的實驗,後來,他又用金屬片放在密封的感光底片和鈾鹽之間,發現X射線是可以穿透它們使底片感光的。如果不能穿透金屬片就不是X射線。這樣作了幾次以後,他發現底片感光了,X射線穿透了他放置的鋁片和銅片。這似乎更加證明,鈾鹽這種熒光物質在照射陽光之後,除了發出熒光,也發出了X射線。

1896年2月24日,柏克勒爾把上述成果在科學院的會議上作了報告。但是,大約只過了五六天,事情就出人意料地發生了變化。柏克勒爾正想重做以上的實驗時,連續幾天的陰雨天,太陽躲在厚厚的雲層里,怎麼喊也喊不出來,他只好把包好的鈾鹽連同感光底片一起鎖在了抽屜里。

1896年3月1日,他試著沖洗和鈾鹽一起放過的底片,發現底片照常感光了。鈾鹽不經過太陽光的照射,也能使底片感光。善於留心實驗細節的柏克勒爾一下子抓住了問題的癥結。從此,他對自己在2月24日的報告,產生了懷疑,他決心一切推倒重來。

這次,他又增加了另外幾種熒光物質。實驗結果再度表明,鈾鹽使照相底片感光,與是否被陽光照射沒有直接的關係。柏克勒爾推測,感光必是鈾鹽自發地發出某種神秘射線造成的。

此後,柏克勒爾便把研究重心轉移到研究含鈾物質上面來了,他發現所有含鈾的物質都能夠發射出一種神秘的射線,他把這種射線叫做「鈾射線」。

3月2日,他在科學院的例會上報告了這一發現。他是含著喜悅的淚水向與會者報告這一切的。

後來經研究他又發現,鈾鹽所發出的射線,不光能夠使照相底片感光,還能夠使氣體發生電離,放電激發溫度變化。鈾以不同的化合物存在,對鈾發出的射線都沒有影響,只要化學元素鈾存在,就有放射性存在。柏克勒爾的發現,被稱作「柏克勒爾現象」,後來吸引了許多物理學家來研究這一現象。

因研究這一現象而獲得重大發現的是波蘭出生,後來移居法國的女物理學家居里夫人。她挺身而出,沖向研究鈾礦石的最前沿。沒有多久,皮埃爾·居里也加入了妻子的行列。他們不知吃了多少苦頭,才相繼提煉出釙、鐳等放射性元素,引起了全人類的高度重視。

居里夫人也因為這一卓越的研究工作,榮獲了1903年諾貝爾物理學獎,1911年諾貝爾化學獎也授予了她,她成了一生中兩次獲諾貝爾獎的少數科學家之一。

X射線的發現,把人類引進了一個完全陌生的微觀國度。X射線的發現,直接地揭開了原子的秘密,為人類深入到原子內部的科學研究,打破了堅冰,開通了航道。 

5 倫琴射線 -倫琴射線的故事



1895年11月8日是一個星期五。晚上,德國慕尼黑伍爾茨堡大學的整個校園都沉浸在一片靜悄悄的氣氛當中,大家都回家度周末去了。但是還有一個房間依然亮著燈光。燈光下,一位年過半百的學者凝視著一疊灰黑色的照相底片在發獃,彷彿陷入了深深的沉思……
  他在思索什麼呢?原來,這位學者以前做過一次放電實驗,為了確保實驗的精確性,他事先用錫紙和硬紙板把各種實驗器材都包裹得嚴嚴實實,並且用一個沒有安裝鋁窗的陰極管讓陰極射線透出。可是現在,他卻驚奇地發現,對著陰極射線發射的一塊塗有氰亞鉑酸鋇的屏幕(這個屏幕用於另外一個實驗)發出了光.而放電管旁邊這疊原本嚴密封閉的底片,現在也變成了灰黑色—這說明它們已經曝光了!
  這個一般人很快就會忽略的現象,卻引起了這位學者的注意,使他產生了濃厚的興趣。他想:底片的變化,恰恰說明放電管放出了一種穿透力極強的新射線,它甚至能夠穿透裝底片的袋子!一定要好好研究一下。不過—既然目前還不知道它是什麼射線,於是取名「X射線」。
  於是,這位學者開始了對這種神秘的X射線的研究。
  他先把一個塗有磷光物質的屏幕放在放電管附近,結果發現屏幕馬上發出了亮光。接著,他嘗試著拿一些平時不透光的較輕物質—比如書本、橡皮板和木板—放到放電管和屏幕之間去擋那束看不見的神秘射線,可是誰也不能把它擋住,在屏幕上幾乎看不到任何陰影,它甚至能夠輕而易舉地穿透15毫米厚的鋁板!直到他把一塊厚厚的金屬板放在放電管與屏幕之間,屏幕上才出現了金屬板的陰影—看來這種射線還是沒有能力穿透太厚的物質。實驗還發現,只有鉛板和鉑板才能使屏不發光,當陰極管被接通時,放在旁邊的照相底片也將被感光,即使用厚厚的黑紙將底片包起來也無濟於事。
  接下來更為神奇的現象發生了, 一天晚上倫琴很晚也沒回家,他的妻子來實驗室看他,於是他的妻子便成了在那不明輻射作用下在照相底片上留下痕迹的第一人。倫琴拍攝的第一張X線片當時倫琴要求他的妻子用手捂住照相底片。當顯影后,夫妻倆在底片上看見了手指骨頭和結婚戒指的影象。
  這一發現對於醫學的價值可是十分重要的,它就像給了人們一副可以看穿肌膚的「眼鏡」,能夠使醫生的「目光」穿透人的皮肉透視人的骨骼,清楚地觀察到活體內的各種生理和病理現象。根據這一原理,後來人們發明了X光機,X射線已經成為現代醫學中一個不可缺少的武器。當人們不慎摔傷之後,為了檢查是不是骨折了,不是總要先到醫院去「照一個片子」嗎?這就是在用X射線照相啊!
  這位學者雖然發現了X射線,但當時的人們—包括他本人在內,都不知道這種射線究竟是什麼東西。直到20世紀初,人們才知道X射線實質上是一種比光波更短的電磁波,它不僅在醫學中用途廣泛,成為人類戰勝許多疾病的有力武器,而且還為今後物理學的重大變革提供了重要的證據。正因為這些原因,在1901年諾貝爾獎的頒獎儀式上,這位學者成為世界上第一個榮獲諾貝爾獎物理獎的人。
  人們為了紀念倫琴,將X射線命名為倫琴射線。

6 倫琴射線 -配圖

倫琴射線倫琴射線

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