X射线的魔力与诺贝尔奖的不解之缘博科园

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X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现(X射线年、放射线年、电子年)之一,这一发现标志着现代物理学的产生,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。

诺贝尔奖年第一次颁发,德国物理学家伦琴因发现X射线获物理学奖。在此之后,X射线仿佛有什么魔力,总与诺贝尔奖有着不解之缘,伦琴根本没想到他的这一发现竟成就了多个诺贝尔奖得主。一个多世纪以来,因研究X射线技术、以及使用X射线进行研究、与X射线有关的研究而获得诺贝尔奖的已有几十人。

0失之交臂

年,英国科学家迈克尔.法拉第(MichaelFaraday)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。

英国科学家法拉第

年,英国科学家威廉.克鲁克斯(WilliamCrookes)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,就退给了厂家。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。

英国科学家克鲁克斯

在伦琴发现X射线的五年前,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有问题,也把这一“偶然”弃之于垃圾堆中。

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年,诺贝尔奖第一次颁发,伦琴因发现X射线而获得了诺贝尔物理学奖

年10月,德国物理学家伦琴(WilhelmKonradRontgen)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。

德国科学家伦琴

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。

伦琴用X射线拍摄的手的照片

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:年1月4日柏林物理学会成立50周年纪念展览会上展出了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射线的发现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。年诺贝尔奖第一次颁发,伦琴就由于发现X射线而获得了物理学奖。

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。

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年,劳厄由于利用X射线通过晶体时的衍射,证明了晶体的原子点阵结构而获得诺贝尔物理学奖

此时,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。那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在当时是完全是不可能的。

德国物理学家马克斯.劳厄(MaxvonLaue)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。

德国科学家劳厄

劳厄的老板,物理学家阿诺德.索末菲(ArnoldSommerfeld)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。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,也就是年,这一发现为劳厄赢得了诺贝尔物理学奖。

德国科学家索末菲

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。

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年,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诺贝尔物理学奖

劳厄的文章发表不久,引起了英国布拉格父子的

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