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1、-X射线的发现历程-第 6 页X射线的发现历程1799年，意大利科学家伏打发明伏打电堆，为获得持续的恒定电流提供了可能性。而稳恒电流的获得，使那个时代的科学家充分研究了电流的各种效应及其规律，同时也给电磁学的发展开辟了新的研究领域。在这方面，以奥斯特为开端，终于使电的研究从神秘王国进入了实用的阶段。阴极射线的发现及研究1858年德国物理学家普吕克（JPlucker）利用“盖斯勒管”研究气体放电时发现，阴极的辉光会随着磁场的变化改变其形状。1859年，他又在对着阴极的管壁上看到了绿色荧光。1869年普吕克的学生希托夫（JWHittorf）发现，如果把物体放在点状的阴极和产生荧光的管壁之间，物体就
2、会产生清晰的影子，这表明射线起源于阴极。他断言，从阴极发出了一种直线传播的射线，撞击在玻璃壁上发出了荧光。1876年，德国物理学家哥尔德斯坦（EGold-stein）把普吕克发现的这种射线称为“阴极射线”。从1883年起赫兹（HHertz）对阴极射线进行了一系列实验，发现阴极射线是连续射出的，不是像一些人所观察到的阴极射线具有脉冲的性质；阴极射线的径迹也不一定与真空管中电流的走向一致；阴极射线在电场作用并不偏转，其静电性质和电磁性质也非常微弱。1891年，他更进一步发现，阴极射线能够穿透金属薄片（金箔、银箔、铝箔），这似乎证明阴极射线不是粒子流（因为当时人们已知的任何物质粒子都不可能穿过金属薄
3、片）。从1892年起，赫兹的学生勒纳德（PLenard）也从事阴极射线的实验研究。他试图使阴极射线越出真空管外，以便在管外方便地研究它的性质。他想到石英板对紫外光一类射线是透明的，阴极射线很可能也会透射过去。但实验失败了。他接受赫兹的建议，用厚为0000265厘米的铝箔代替石英板，阴极射线立即穿透了这些铝箔，使管外几厘米远处的荧光屏发出荧光。他断言，阴极射线并不是飞行的粒子，而是“以太中的现象”。伦琴的意外发现对于赫兹和勒纳德发表的论阴极射线穿透力的论文，伦琴有自己的一些看法。他认为还有不少问题未得到解释。他决定对阴极射线进行进一步的研究。伦琴首先使用勒纳德管重新做了赫兹和勒纳德的实验。他用硬
4、纸板和锡箔把放电管包起来，以排除放电管和外界的相互影响。发现当放电管的薄铝窗和涂有铂氰化钡的荧光屏很接近时，荧光屏上有荧光产生；当他改用克鲁克斯管重做这个实验时，也有荧光产生。这就证实了勒纳德的发现。1895年11月8日，当伦琴继续进行实验时，为了防止紫外线和可见光的影响，并不使管内的可见光线漏出管外，伦琴用黑硬纸板把放电管严密地套封起来，在接通电源后，他意外地发现不远处一块涂有钡铂氰化物的屏上发出了荧光。但伦琴的管子是被包在黑纸板内的，不可能有光或阴极射线从里面射出。房间是暗室，无一点亮光，屏上出现的荧光又来自何处呢？伦琴一切断电源，屏上的荧光就消失了，一接上电源，荧光就出现，这使伦琴大惑不
5、解。伦琴把不远处的荧光板翻转，把没有涂上钡铂氰化物的一面朝向管子，管子接通电源后，屏上仍然有荧光，把屏移得稍远一些，屏上的荧光并不消失。这个新奇现象使伦琴确信，从放电管中发出的肯定不是阴极射线，因为勒纳德和他本人都已经通过实验证实，阴极射线只能在空气中行进几个厘米，绝不可能到达1米外的荧光屏处。还有，阴极射线也不具备穿透玻璃管的能力。伦琴继续进行他的观察。他在荧光屏与管子之间放上几样东西，竟然发现这几样东西好像是透明的物体。他又把自己的手伸到管子前面，屏上居然出现了他的手骨形象，这更令伦琴大吃一惊。他确信，他已经发现了一种新射线！但伦琴的性格稳重踏实，在没有对新发现进行最后确证之前，他是不会外
6、泄消息的。此后的六个星期，伦琴把自己关在实验室里，仔细研究新射线的方方面面。比如他发现新射线可以穿透千页的书，二、三厘米的木板，15毫米厚的铝板，只有铅等少数物质对这种射线有较强的吸收能力。1895年12月22日，伦琴夫人来到实验室，伦琴就请他把手放在用黑纸包严的照相底片上，用这种新奇的射线拍下了伦琴夫人的手骨像，连手指上的结婚戒指都非常清晰。这就是科技史上十分有历史意义的一张照片。由于一时还搞不清楚这种新射线的本质，伦琴就把它称为“X射线”。X射线的发现轰动了世界1895年12月28日，伦琴将论一种新的射线为题的论文递交给了维尔茨堡物理学医学学会。论文一点也没有提及他最初的感觉和疑惑。伦琴在
7、论文的开头这样平淡地写道：“如果我们用一具大型的鲁姆科夫（HDRuhmkorff）线圈通过希托夫射线管或任何有足够真空度的勒纳德管、克鲁克斯管或其它类似的管子来放电，再把管子用黑色薄硬纸板严密遮盖起来。在完全黑暗的屋子里就能看到在涂有钡铂氰化物的纸屏上发出明亮的辉光。让涂有钡铂氰化物的一面向着或背着放电管，结果都一样。”论文接着陈述了X射线的性质，其中包括X射线的直线传播，通过棱镜时不发生反射和折射，也不能被透镜聚焦，可使荧光物质发出荧光，具有很强的贯穿本领，在磁场中不发生偏转等。1896年元旦，伦琴将他的论文和X射线照片复制件分送给一些著名科学家，玻尔兹曼、瓦伯格（OWarberg）、科尔劳
8、希（FKohlrausch）、开尔文勋爵、斯托克斯和彭加勒都收到了伦琴的论文。不少科学家读过伦琴的论文，立即奔向自己的实验室，试验是否可以看到X射线，他们都看到了。但在社会上，伦琴的论文立即引起了轩然大波，人们无法相信他的论文。但论文附有人手的照片，是无法否定的证据。到1月4日，距离科学家收到论文仅几天时间，X射线照片就被列为柏林物理学研究所举办的“纪念柏林物理学会成立50周年”展览会上的展品。1月5日，维也纳新闻报第一个作了报导；1月6日，伦敦每日纪事向世界各地发布了发现X射线的新闻。随后，世界各地报刊杂志也纷纷作了报导。意大利王后听到这一消息后，很想观赏一下X射线的奇妙，就请物理学家赞奇（
9、AZanchi）来为她作一次表演，结果赞奇花了一个晚上用水银真空泵来抽空玻璃管。他一夜担心，惟恐抽不成真空。幸而他做成了，王后得以大饱眼福。伦琴的发现也引起了人们惊恐的好奇心。有的报纸借伦琴夫人的手骨照片进行歪曲。恐吓女士们说，今后穿什么衣服都不安全；投机商人则趁机制成“防X光保险内衣”，借机想发一笔横财。美国新泽西州的一位议员还强烈要求制定法律，禁止使用X射线。人们在惊奇之余，也想到了X射线的用途，尤其是看到X射线可以使人手的骨头清晰可见，可以使深陷在体内的枪弹显示出来，立即想到它在医学上的重大实用价值，并把它很快用于医学和金属探伤。X射线的发现也给伦琴带来了国际声誉。在发现X射线之后的几个
10、月里，伦琴收到了世界各地寄来的请他去讲学的邀请信。但他只接受了其中的一次，其余的都被他谢绝了。1896年1月13日，德国皇帝也邀请他去表演，这使伦琴很是紧张了一阵子。他说：“我希望能靠托皇上的洪福保佑我的真空管无恙。这些管子是很脆弱的，常常会报废，而且要用四天左右的时间才能制成一个新的。”这次表演使伦琴受到和德皇同席钦宴的隆重待遇，并获得一枚皇帝授予的“二级皇冠勋章”。1896年，伦琴还成为他出生地的荣誉公民和柏林、慕尼黑科学院的通讯院士，被授予英国皇家学会的伦福德奖章。1901年，当新设立的诺贝尔奖颁发时，他第一个成为获得诺贝尔物理学奖的人。在最初的三个月内，伦琴的论文被印行5次，第五版同时
11、用英、法、意、俄等多国文字印行。在1896年一年内，关于X射线的书籍和小册子就有48种之多，研究论文达1000多篇。伦琴发现的奥秘何在1896年2月8日，伦琴曾给他的好朋友赞德（LZehnder）写过一封信，详细介绍了他发现X射线时所使用的实验仪器及实验时的一些具体细节：“我采用的是一只大型5020公分的鲁姆科夫线圈和一个德普雷士断续器，初级线圈电流约为20安培。我采用的仪器仍旧靠普赖斯真空泵，要好几天才能抽得合格的真空度。当并联的放电管电花隙为3公分左右时，效果最佳。用过一段时间后，任何管子都会漏气。采用任何产生阴极射线的方法都会获得成功。使用台斯拉式的白炽灯以及使用不带电极的管子时也是一样
12、。我摄影用了30分钟，这要看做实验时的条件而定。”看来，伦琴发现X射线时使用的设备并没有什么特别之处，别的科学家也是使用这些仪器进行相关研究的。为什么伦琴使用这些仪器发现了一种新现象，而别的科学家没有获得这样的发现？伦琴发现的真实过程如何？他本人又有什么与众不同之处？对于前者，在伦琴发现X射线后就有很多猜测。1896年2月8日，伦琴给他朋友赞德的信中已经提到，“在这些新闻报导中，我的研究工作被说得面目全非。照片对我来说只是达到目的的手段，但是却被看成是最重要的事情。”说明当时对“伦琴是如何发现X射线的”就有许多传闻和不正确的猜测。连他的好朋友赞德在信中也对伦琴的发现过程进行了推测，但伦琴在回信
13、中表示了明确的不赞成；“目前我还不能采纳您在X射线上所作的种种推测。看来，企图用某种并非无懈可击的假设来解释性质不明的现象，那是不容许的，也是不利的。”但伦琴是怎样发现X射线的？伦琴本人并没有明确地说明过，我们今天只好根据事实推测了。至于第二个问题，即伦琴本人有什么与众不同之处？答案应该是肯定的。因为在伦琴之前，别的科学家已经“发现”了X射线，不过没有意识到那是一种新现象，让这种机遇悄悄溜走了。比如克鲁克斯在1879年就曾经注意到，放在阴极射线管旁边的照相底版出现了模糊的黑影。他把这归因于生产厂家生产的产品质量有问题，只是抱怨厂家的产品质量不过关。同样，1890年，古斯比德（AWGoodspe
14、ed）和詹宁（WWJennings）在费城也“发现”了同样的问题，只是未引起充分重视。勒纳德和其他一些德国物理学家也看到阴极射线管附近的荧光，但由于他们正专注于阴极射线性质的研究，只把这个看作“莫名其妙的次要现象的特征”，没有认真加以对待。他们都未能像伦琴那样紧紧抓住新现象并深入研究下去，只有伦琴这样做了，说明伦琴一定具有与他们不同的素质。首先，把伦琴的发现完全归结为“偶然”是不合适的。把荧光屏放在放电管附近，这或许是出于偶然，但伦琴使用过荧光屏却不是偶然的，因为研究阴极射线时完全可以不用它。他有意去使用铂氰化钡这种荧光物质，目的就是试图寻找“放在放电管附近包裹在不透光纸中的照相底片为什么意外
15、感光了”这一问题的答案。也许他已猜到有一种新射线，这才想到使用荧光物质进行检验。伦琴的行动目的是明确的，说明他立即抓住了机遇不放。伦琴的科学素质是他取得成功的又一原因。在1879年1888年，伦琴在吉森大学进行了多方面选题的理论和实验研究，包括电磁学、光学、晶体物理学。这使他对各种专门问题都具有广博的知识，对他后来的发现也会有很大作用。伦琴年轻对受到过成为一个工程师的严格训练，养成了自己动手出色地制造实验设备和仪器的习惯，并且培养起了敏锐的观察力，非常善于利用简单的仪器进行观测，凭借简单的仪器获得高精度结果的能力。他自己在一次演讲中就充分表达过重视实验的思想。他说：“实验是最强有力的杠杆，我们
16、可以利用这个杠杆撬开自然界的秘密。在解决对某一假说是保留还是摒弃这样一个问题时，这个杠杆应当成为最高一级的审理法院。”柏林科学院在X射线发现后致伦琴的贺信中也评价伦琴是一位“把完善的实验艺术同最高的科学诚意和注意力结合起来的研究者”，认为伦琴“应当得到作出这一伟大发现的幸福。”像法拉弟一样，伦琴也具有以直观的形式提出物理思想和理论的能力。正如索末菲说过的那样，伦琴不需要“数学的拐杖”。小小遗憾伦琴在1895年撰写的那篇著名论文里，对X射线的本质曾提出一种猜想：“新射线是否以太波纵向振动的结果？”他当时认为，“我是越来越相信这一种论点了。”他向自己提出：“我觉得应该把我认为可能的这一论点讲出来，虽则我清楚地知道这样的解释还需要进一步去证实。”但是伦琴本人没有能够进一步去了解X射线的本质。在发现X射线以后，他只进行了一年多的研究，并只发表了两篇和X射线有关的文章，一篇是论一种新的射线（续篇），1896年3月9日送出；另一篇是关于X射线性质的进一步观察，1897年3月送出。随后，伦琴就回到了自己原来的研究课题上去了，而把对X射线的研究留给了年轻的新生力量去做。又经过了16年，劳厄、弗里德里希（WFriedrich）、尼平（PKnipping）等人才最终解决X射线的性质问题。伦琴何以会这样做？那只有靠我们的猜测才能解决了。