X射線的發(fā)現(xiàn)歷程.doc

/Article.aspx?aid=104817X射線的發(fā)現(xiàn)歷程1799年，意大利科學(xué)家伏打發(fā)明伏打電堆，為獲得持續(xù)的恒定電流提供了可能性。而穩(wěn)恒電流的獲得，使那個(gè)時(shí)代的科學(xué)家充分研究了電流的各種效應(yīng)及其規(guī)律，同時(shí)也給電磁學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。在這方面，以?shī)W斯特為開(kāi)端，終于使電的研究從神秘王國(guó)進(jìn)入了實(shí)用的階段。陰極射線的發(fā)現(xiàn)及研究1858年德國(guó)物理學(xué)家普呂克（JPlucker）利用“蓋斯勒管”研究氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，陰極的輝光會(huì)隨著磁場(chǎng)的變化改變其形狀。1859年，他又在對(duì)著陰極的管壁上看到了綠色熒光。1869年普呂克的學(xué)生希托夫（JWHittorf）發(fā)現(xiàn)，如果把物體放在點(diǎn)狀的陰極和產(chǎn)生熒光的管壁之間，物體就會(huì)產(chǎn)生清晰的影子，這表明射線起源于陰極。他斷言，從陰極發(fā)出了一種直線傳播的射線，撞擊在玻璃壁上發(fā)出了熒光。1876年，德國(guó)物理學(xué)家哥爾德斯坦（EGold-stein）把普呂克發(fā)現(xiàn)的這種射線稱(chēng)為“陰極射線”。從1883年起赫茲（HHertz）對(duì)陰極射線進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)陰極射線是連續(xù)射出的，不是像一些人所觀察到的陰極射線具有脈沖的性質(zhì)；陰極射線的徑跡也不一定與真空管中電流的走向一致；陰極射線在電場(chǎng)作用并不偏轉(zhuǎn)，其靜電性質(zhì)和電磁性質(zhì)也非常微弱。1891年，他更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，陰極射線能夠穿透金屬薄片（金箔、銀箔、鋁箔），這似乎證明陰極射線不是粒子流（因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們已知的任何物質(zhì)粒子都不可能穿過(guò)金屬薄片）。從1892年起，赫茲的學(xué)生勒納德（PLenard）也從事陰極射線的實(shí)驗(yàn)研究。他試圖使陰極射線越出真空管外，以便在管外方便地研究它的性質(zhì)。他想到石英板對(duì)紫外光一類(lèi)射線是透明的，陰極射線很可能也會(huì)透射過(guò)去。但實(shí)驗(yàn)失敗了。他接受赫茲的建議，用厚為0000265厘米的鋁箔代替石英板，陰極射線立即穿透了這些鋁箔，使管外幾厘米遠(yuǎn)處的熒光屏發(fā)出熒光。他斷言，陰極射線并不是飛行的粒子，而是“以太中的現(xiàn)象”。倫琴的意外發(fā)現(xiàn)對(duì)于赫茲和勒納德發(fā)表的論陰極射線穿透力的論文，倫琴有自己的一些看法。他認(rèn)為還有不少問(wèn)題未得到解釋。他決定對(duì)陰極射線進(jìn)行進(jìn)一步的研究。倫琴首先使用勒納德管重新做了赫茲和勒納德的實(shí)驗(yàn)。他用硬紙板和錫箔把放電管包起來(lái)，以排除放電管和外界的相互影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)放電管的薄鋁窗和涂有鉑氰化鋇的熒光屏很接近時(shí)，熒光屏上有熒光產(chǎn)生；當(dāng)他改用克魯克斯管重做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，也有熒光產(chǎn)生。這就證實(shí)了勒納德的發(fā)現(xiàn)。1895年11月8日，當(dāng)倫琴繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了防止紫外線和可見(jiàn)光的影響，并不使管內(nèi)的可見(jiàn)光線漏出管外，倫琴用黑硬紙板把放電管?chē)?yán)密地套封起來(lái)，在接通電源后，他意外地發(fā)現(xiàn)不遠(yuǎn)處一塊涂有鋇鉑氰化物的屏上發(fā)出了熒光。但倫琴的管子是被包在黑紙板內(nèi)的，不可能有光或陰極射線從里面射出。房間是暗室，無(wú)一點(diǎn)亮光，屏上出現(xiàn)的熒光又來(lái)自何處呢？倫琴一切斷電源，屏上的熒光就消失了，一接上電源，熒光就出現(xiàn)，這使倫琴大惑不解。倫琴把不遠(yuǎn)處的熒光板翻轉(zhuǎn)，把沒(méi)有涂上鋇鉑氰化物的一面朝向管子，管子接通電源后，屏上仍然有熒光，把屏移得稍遠(yuǎn)一些，屏上的熒光并不消失。這個(gè)新奇現(xiàn)象使倫琴確信，從放電管中發(fā)出的肯定不是陰極射線，因?yàn)槔占{德和他本人都已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，陰極射線只能在空氣中行進(jìn)幾個(gè)厘米，絕不可能到達(dá)1米外的熒光屏處。還有，陰極射線也不具備穿透玻璃管的能力。倫琴繼續(xù)進(jìn)行他的觀察。他在熒光屏與管子之間放上幾樣?xùn)|西，竟然發(fā)現(xiàn)這幾樣?xùn)|西好像是透明的物體。他又把自己的手伸到管子前面，屏上居然出現(xiàn)了他的手骨形象，這更令倫琴大吃一驚。他確信，他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新射線！但倫琴的性格穩(wěn)重踏實(shí)，在沒(méi)有對(duì)新發(fā)現(xiàn)進(jìn)行最后確證之前，他是不會(huì)外泄消息的。此后的六個(gè)星期，倫琴把自己關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里，仔細(xì)研究新射線的方方面面。比如他發(fā)現(xiàn)新射線可以穿透千頁(yè)的書(shū)，二、三厘米的木板，15毫米厚的鋁板，只有鉛等少數(shù)物質(zhì)對(duì)這種射線有較強(qiáng)的吸收能力。1895年12月22日，倫琴夫人來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，倫琴就請(qǐng)他把手放在用黑紙包嚴(yán)的照相底片上，用這種新奇的射線拍下了倫琴夫人的手骨像，連手指上的結(jié)婚戒指都非常清晰。這就是科技史上十分有歷史意義的一張照片。由于一時(shí)還搞不清楚這種新射線的本質(zhì)，倫琴就把它稱(chēng)為“X射線”。X射線的發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了世界1895年12月28日，倫琴將論一種新的射線為題的論文遞交給了維爾茨堡物理學(xué)醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)。論文一點(diǎn)也沒(méi)有提及他最初的感覺(jué)和疑惑。倫琴在論文的開(kāi)頭這樣平淡地寫(xiě)道：“如果我們用一具大型的魯姆科夫（HDRuhmkorff）線圈通過(guò)希托夫射線管或任何有足夠真空度的勒納德管、克魯克斯管或其它類(lèi)似的管子來(lái)放電，再把管子用黑色薄硬紙板嚴(yán)密遮蓋起來(lái)。在完全黑暗的屋子里就能看到在涂有鋇鉑氰化物的紙屏上發(fā)出明亮的輝光。讓涂有鋇鉑氰化物的一面向著或背著放電管，結(jié)果都一樣?！闭撐慕又愂隽薠射線的性質(zhì)，其中包括X射線的直線傳播，通過(guò)棱鏡時(shí)不發(fā)生反射和折射，也不能被透鏡聚焦，可使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光，具有很強(qiáng)的貫穿本領(lǐng)，在磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)等。1896年元旦，倫琴將他的論文和X射線照片復(fù)制件分送給一些著名科學(xué)家，玻爾茲曼、瓦伯格（OWarberg）、科爾勞希（FKohlrausch）、開(kāi)爾文勛爵、斯托克斯和彭加勒都收到了倫琴的論文。不少科學(xué)家讀過(guò)倫琴的論文，立即奔向自己的實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)是否可以看到X射線，他們都看到了。但在社會(huì)上，倫琴的論文立即引起了軒然大波，人們無(wú)法相信他的論文。但論文附有人手的照片，是無(wú)法否定的證據(jù)。到1月4日，距離科學(xué)家收到論文僅幾天時(shí)間，X射線照片就被列為柏林物理學(xué)研究所舉辦的“紀(jì)念柏林物理學(xué)會(huì)成立50周年”展覽會(huì)上的展品。1月5日，維也納新聞報(bào)第一個(gè)作了報(bào)導(dǎo)；1月6日，倫敦每日紀(jì)事向世界各地發(fā)布了發(fā)現(xiàn)X射線的新聞。隨后，世界各地報(bào)刊雜志也紛紛作了報(bào)導(dǎo)。意大利王后聽(tīng)到這一消息后，很想觀賞一下X射線的奇妙，就請(qǐng)物理學(xué)家贊奇（AZanchi）來(lái)為她作一次表演，結(jié)果贊奇花了一個(gè)晚上用水銀真空泵來(lái)抽空玻璃管。他一夜擔(dān)心，惟恐抽不成真空。幸而他做成了，王后得以大飽眼福。倫琴的發(fā)現(xiàn)也引起了人們驚恐的好奇心。有的報(bào)紙借倫琴夫人的手骨照片進(jìn)行歪曲。恐嚇女士們說(shuō)，今后穿什么衣服都不安全；投機(jī)商人則趁機(jī)制成“防X光保險(xiǎn)內(nèi)衣”，借機(jī)想發(fā)一筆橫財(cái)。美國(guó)新澤西州的一位議員還強(qiáng)烈要求制定法律，禁止使用X射線。人們?cè)隗@奇之余，也想到了X射線的用途，尤其是看到X射線可以使人手的骨頭清晰可見(jiàn)，可以使深陷在體內(nèi)的槍彈顯示出來(lái)，立即想到它在醫(yī)學(xué)上的重大實(shí)用價(jià)值，并把它很快用于醫(yī)學(xué)和金屬探傷。X射線的發(fā)現(xiàn)也給倫琴帶來(lái)了國(guó)際聲譽(yù)。在發(fā)現(xiàn)X射線之后的幾個(gè)月里，倫琴收到了世界各地寄來(lái)的請(qǐng)他去講學(xué)的邀請(qǐng)信。但他只接受了其中的一次，其余的都被他謝絕了。1896年1月13日，德國(guó)皇帝也邀請(qǐng)他去表演，這使倫琴很是緊張了一陣子。他說(shuō)：“我希望能靠托皇上的洪福保佑我的真空管無(wú)恙。這些管子是很脆弱的，常常會(huì)報(bào)廢，而且要用四天左右的時(shí)間才能制成一個(gè)新的。”這次表演使倫琴受到和德皇同席欽宴的隆重待遇，并獲得一枚皇帝授予的“二級(jí)皇冠勛章”。1896年，倫琴還成為他出生地的榮譽(yù)公民和柏林、慕尼黑科學(xué)院的通訊院士，被授予英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的倫福德獎(jiǎng)?wù)隆?901年，當(dāng)新設(shè)立的諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)時(shí)，他第一個(gè)成為獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人。在最初的三個(gè)月內(nèi)，倫琴的論文被印行5次，第五版同時(shí)用英、法、意、俄等多國(guó)文字印行。在1896年一年內(nèi)，關(guān)于X射線的書(shū)籍和小冊(cè)子就有48種之多，研究論文達(dá)1000多篇。倫琴發(fā)現(xiàn)的奧秘何在1896年2月8日，倫琴曾給他的好朋友贊德（LZehnder）寫(xiě)過(guò)一封信，詳細(xì)介紹了他發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)所使用的實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)時(shí)的一些具體細(xì)節(jié)：“我采用的是一只大型5020公分的魯姆科夫線圈和一個(gè)德普雷士斷續(xù)器，初級(jí)線圈電流約為20安培。我采用的儀器仍舊靠普賴(lài)斯真空泵，要好幾天才能抽得合格的真空度。當(dāng)并聯(lián)的放電管電花隙為3公分左右時(shí)，效果最佳。用過(guò)一段時(shí)間后，任何管子都會(huì)漏氣。采用任何產(chǎn)生陰極射線的方法都會(huì)獲得成功。使用臺(tái)斯拉式的白熾燈以及使用不帶電極的管子時(shí)也是一樣。我攝影用了30分鐘，這要看做實(shí)驗(yàn)時(shí)的條件而定?！笨磥?lái)，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)使用的設(shè)備并沒(méi)有什么特別之處，別的科學(xué)家也是使用這些儀器進(jìn)行相關(guān)研究的。為什么倫琴使用這些儀器發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象，而別的科學(xué)家沒(méi)有獲得這樣的發(fā)現(xiàn)？倫琴發(fā)現(xiàn)的真實(shí)過(guò)程如何？他本人又有什么與眾不同之處？對(duì)于前者，在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后就有很多猜測(cè)。1896年2月8日，倫琴給他朋友贊德的信中已經(jīng)提到，“在這些新聞報(bào)導(dǎo)中，我的研究工作被說(shuō)得面目全非。照片對(duì)我來(lái)說(shuō)只是達(dá)到目的的手段，但是卻被看成是最重要的事情?！闭f(shuō)明當(dāng)時(shí)對(duì)“倫琴是如何發(fā)現(xiàn)X射線的”就有許多傳聞和不正確的猜測(cè)。連他的好朋友贊德在信中也對(duì)倫琴的發(fā)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了推測(cè)，但倫琴在回信中表示了明確的不贊成；“目前我還不能采納您在X射線上所作的種種推測(cè)?？磥?lái)，企圖用某種并非無(wú)懈可擊的假設(shè)來(lái)解釋性質(zhì)不明的現(xiàn)象，那是不容許的，也是不利的?！钡珎惽偈窃鯓影l(fā)現(xiàn)X射線的？倫琴本人并沒(méi)有明確地說(shuō)明過(guò)，我們今天只好根據(jù)事實(shí)推測(cè)了。至于第二個(gè)問(wèn)題，即倫琴本人有什么與眾不同之處？答案應(yīng)該是肯定的。因?yàn)樵趥惽僦?，別的科學(xué)家已經(jīng)“發(fā)現(xiàn)”了X射線，不過(guò)沒(méi)有意識(shí)到那是一種新現(xiàn)象，讓這種機(jī)遇悄悄溜走了。比如克魯克斯在1879年就曾經(jīng)注意到，放在陰極射線管旁邊的照相底版出現(xiàn)了模糊的黑影。他把這歸因于生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量有問(wèn)題，只是抱怨廠家的產(chǎn)品質(zhì)量不過(guò)關(guān)。同樣，1890年，古斯比德（AWGoodspeed）和詹寧（WWJennings）在費(fèi)城也“發(fā)現(xiàn)”了同樣的問(wèn)題，只是未引起充分重視。勒納德和其他一些德國(guó)物理學(xué)家也看到陰極射線管附近的熒光，但由于他們正專(zhuān)注于陰極射線性質(zhì)的研究，只把這個(gè)看作“莫名其妙的次要現(xiàn)象的特征”，沒(méi)有認(rèn)真加以對(duì)待。他們都未能像倫琴那樣緊緊抓住新現(xiàn)象并深入研究下去，只有倫琴這樣做了，說(shuō)明倫琴一定具有與他們不同的素質(zhì)。首先，把倫琴的發(fā)現(xiàn)完全歸結(jié)為“偶然”是不合適的。把熒光屏放在放電管附近，這或許是出于偶然，但倫琴使用過(guò)熒光屏卻不是偶然的，因?yàn)檠芯筷帢O射線時(shí)完全可以不用它。他有意去使用鉑氰化鋇這種熒光物質(zhì)，目的就是試圖尋找“放在放電管附近包裹在不透光紙中的照相底片為什么意外感光了”這一問(wèn)題的答案。也許他已猜到有一種新射線，這才想到使用熒光物質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)。倫琴的行動(dòng)目的是明確的，說(shuō)明他立即抓住了機(jī)遇不放。倫琴的科學(xué)素質(zhì)是他取得成功的又一原因。在1879年1888年，倫琴在吉森大學(xué)進(jìn)行了多方面選題的理論和實(shí)驗(yàn)研究，包括電磁學(xué)、光學(xué)、晶體物理學(xué)。這使他對(duì)各種專(zhuān)門(mén)問(wèn)題都具有廣博的知識(shí)，對(duì)他后來(lái)的發(fā)現(xiàn)也會(huì)有很大作用。倫琴年輕對(duì)受到過(guò)成為一個(gè)工程師的嚴(yán)格訓(xùn)練，養(yǎng)成了自己動(dòng)手出色地制造實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的習(xí)慣，并且培養(yǎng)起了敏銳的觀察力，非常善于利用簡(jiǎn)單的儀器進(jìn)行觀測(cè)，憑借簡(jiǎn)單的儀器獲得高精度結(jié)果的能力。他自己在一次演講中就充分表達(dá)過(guò)重視實(shí)驗(yàn)的思想。他說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)是最強(qiáng)有力的杠桿，我們可以利用這個(gè)杠桿撬開(kāi)自然界的秘密。在解決對(duì)某一假說(shuō)是保留還是摒棄這樣一個(gè)問(wèn)題時(shí)，這個(gè)杠桿應(yīng)當(dāng)成為最高一級(jí)的審理法院?！卑亓挚茖W(xué)院在X射線發(fā)現(xiàn)后致倫琴的賀信中也評(píng)價(jià)倫琴是一位“把完善的實(shí)驗(yàn)藝術(shù)同最高的科學(xué)誠(chéng)意和注意力結(jié)合起來(lái)的研究者”，認(rèn)為倫琴“應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶鞒鲞@一偉大發(fā)現(xiàn)的幸福?！毕穹ɡ芤粯?，倫琴也具有以直觀的形式提出物理思想和理論的能力。正如索末菲說(shuō)過(guò)的那樣，倫琴不需要“數(shù)學(xué)的拐杖”。小小遺憾倫琴在1895年撰寫(xiě)的那篇著名論文里，對(duì)X射線的本質(zhì)曾提出一種猜想：“新射線是否以太波縱向振動(dòng)的結(jié)果？”他當(dāng)時(shí)認(rèn)為，“我是越來(lái)越相信這一種論點(diǎn)了。”他向自己提出：“我覺(jué)得應(yīng)該把我認(rèn)為可能的這一論點(diǎn)講出來(lái)，雖則我清楚地知道這樣的