第二部分

开始

来自W.C.Röntgen第三次沟通，1897年3月：

“我在第一次通信中提到，从同一晶体不同方向切割出的恒定厚度板的渗透率（用于X射线）实验仍在继续。板块由方解石、石英、碧玺、绿柱石、文石、磷灰石和重晶石切割而成。同样，没有发现方向对透明度的影响。”

“自从我开始研究X射线以来，我不断地试图用这些射线获得衍射；我用窄缝观察了好几次类似衍射的现象。但在每一种情况下，为了测试解释的正确性而对实验条件进行的改变都未能证实这一点，而且在许多情况下，我能够直接表明，这些现象是以与衍射完全不同的方式出现的。我还没有成功注册过一个实验，从中我可以确信X射线衍射的存在，这一点令我满意。”

 

第2章

X射线

2.1. 伦琴发现X射线时的物理学

十九世纪上半叶是精确科学蓬勃发展的时期。伟大的数学家——柯西、欧拉、高斯、汉密尔顿，仅举几个例子——不仅完善了分析方法，而且还为天体力学和其他力学、流体动力学、弹性、磁学和光学的数学、定量和理解奠定了基础。在拉瓦锡引入用于检查反应的天平之后，化学成为了一门定量科学。1820年至1831年间的一系列杰出实验揭示了磁性与电流的关系，法拉第提出了电磁场的概念，麦克斯韦在19世纪60年代对电磁场进行了放大并给出了数学表达式。到1848年，能量的概念得到了明确的定义，并证明了能量和热量的等价性。克劳修斯和麦克斯韦制定了热力学的基本定律。卢克雷修斯（Lucretius）和博斯科维奇（Boscovich）的著作中长期但模糊地预示了物质动力学理论，它在麦克斯韦（Maxwell）和玻尔兹曼（Boltzmann）的气体理论中达到了第一个定量阶段。光偏振的发现（Malus，1808）证明了光是一种横波运动，尽管对光的产生几乎一无所知，但似乎对光的传播几乎一无所知。因此，正在建造改进很多的望远镜、显微镜和其他巧妙的光学设备，并帮助开辟了广阔的天空和动植物世界的新领域。物理定律在化学、工程和生理学中的应用取得了长足的进步，理性、定量和越来越精确的关系取代了以前模糊的经验主义。

考虑到在对自然的数学描述方面取得的巨大进步，一些科学家认为科学已经达到了完美的阶段，几乎没有更多的基础工作要做；未来科学家所能期待的就是按照既定路线解决新问题。

相反，在本世纪的最后一、二十年里，一个由物理实体和事实组成的隐藏的新世界。发现了一个与经典物理体系截然不同的体系。它最终成为二十世纪物理学的前沿。这一发现始于1854年，当时波恩的朱利叶斯·普吕克（Julius Plücker）和其他物理学家一起研究了稀薄气体放电产生的光谱。通常由波恩玻璃吹制工盖斯勒（Bonn glass blower Geisler）制造的真空玻璃管中的这些色彩艳丽且多变的放电，正在以描述性的方式，根据其暗空间、发光带结构等，逐步进行分类和分析。直到20世纪30年代，原子理论得到了很好的发展，人们才对产生这些效应的过程有了充分的了解。1859年，普吕克观察到，在高度真空的管子中，阴极对面的玻璃壁上出现明亮的发光，这受到磁铁接近的特殊影响。约翰·威廉·希托夫（Johann Wilhelm Hittorf）于1869年发现，随着放电管抽空量的增加，与圆盘状负极（阴极）相邻的黑暗空间逐渐变长，直至最终抑制气体中的所有光度，并伸向阴极对面的玻璃墙，然后阴极发出明亮的绿色荧光。穆斯特的希托夫（Hittorf）、伦敦的克鲁克斯（Crookes）和其他研究这种放电形式的物理学家表明，玻璃上的亮点是由某种东西以直角离开阴极表面并沿直线移动而产生的，因此荧光点中形成了不透明金属十字的阴影。因此，阴极的名称射线被赋予了无形的东西。如果这些光线落在方解石或萤石上，这些矿物就会发出美丽的颜色，这取决于矿物种类的不同。这是一种新颖的发光模式，吸引了许多研究人员。与此同时，阴极射线方面出现了两个重要的发展：虽然普吕克已经指出，“射线”可能是阴极发射的带电粒子流，并被磁铁偏转，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）进行的实验动摇了这一观点，实验表明，当光线通过电容器的极板时，电场不会使光线发生偏转。（直到很久以后，才发现这一负面结果的原因是由于真空太差导致冷凝器板之间发生漏电。）

第二个发展来自勒纳德博士（Ph.Lenard），当时他是赫兹（H.Hertz）的学生，他成功地让阴极射线通过一个很薄的铝箔或“窗户”从管子中穿过。射线会穿过几英寸的空气（管上的电压越高，路径就越长），而荧光屏的亮度表明，随着穿过的空气层的增加，射线的强度呈指数级下降。Lenard窗口允许更容易地观察矿物和其他化合物的荧光，因为不再需要为每次观察建造和排空特殊的管道。

应该注意的是，电荷的原子性在我们的“电子时代”是一个熟悉的事实，但在19世纪90年代初还不为人所知。的确，早在1834年法拉第就已经表明，在电流通过盐溶液的传导过程中，电荷是以某种单位或其小倍数传输的，绝不是分数或不规则数量。但是，这些电荷单位是由有重量的物质携带的，例如，由沉积在电解槽阴极上的银原子携带的，单位电荷的出现既可以由原子的携带能力引起，也可以由电荷本身的某些固有性质引起。

事实上，阴极射线明显不受电场的偏转，加上其穿透不受气体影响的金属箔的能力，支持了赫兹和许多其他德国物理学家的观点，即阴极射线是一种特殊形式的电磁场，可能是纵波，而不是一连串的微粒。这种观点一直持续到1895年和1896年，当时法国的Jean Perrin和剑桥的J.J.Thomson实现了阴极射线的静电偏转，随后不久，后者使用法拉第笼收集并测量了阴极射线中传输的电荷。通过偏转实验，他还确定了电荷与阴极射线粒子质量的比值e/m；并发现，假设电荷与电解时的电荷相同，则粒子的质量仅为已知最小原子质量氢原子质量的1/1800左右。最终，在1891年，在约翰斯通-斯通的提议下，电子的名称因这个电荷单位而被普遍接受。1910年，芝加哥的罗伯特·密立根（Robert Millikan）将其绝对值确定为4.77

• 10^-10由于劳厄的发现，E.Backlin于1935年修订了el.静态单位和该值，这是《自然》中最基本的单位之一。今天的接受值为4.803
• 10^-10el.静态单位或1.601
• 10^-16库仑。

2.2. 伦琴的发现

让我们回到1895年夏天，回到美丽的古老巴伐利亚大学城和独立主教维尔茨堡的故居。六年前，威廉·康拉德·伦琴被任命为物理学教授。

1895年夏天，伦琴组装了一些设备，例如一个相当大的感应线圈和合适的放电管，用于研究备受争议的阴极射线课题。从Lenard的工作中可以知道，这些射线在空气、气体和薄金属箔中的吸收大致取决于穿过的物质的总质量，如果在放电管上施加更高的电压，吸收会降低。众所周知，不同晶体中激发的荧光强度随所用电压而变化，萤石是“软”阴极射线的良好晶体（低压获得的阴极射线），而氰化铂钡在“硬”阴极射线轰击下会发出强烈荧光。

伦琴从未透露他打算做什么测量，也没有透露他在做出重大发现时使用的是什么类型的放电管。管子被完全封闭在一个不透光的纸板箱中，这表明他打算观察到非常微弱的发光。但他是对阴极射线的吸收规律感兴趣，还是对不同介质中荧光的激发感兴趣，这个问题仍然没有答案。事实上，他注意到，每当感应线圈放电通过管子时，放在桌子上离管子相当远的地方的一个氰化铂钡屏幕上都会闪烁荧光。这种闪光不可能是由阴极射线引起的，因为阴极射线会被管子的玻璃壁或Lenard窗户和空气完全吸收。伦琴在11月8日至年底的一段令人窒息的工作时间里，确信自己所观察到的事实，起初他觉得很难相信。他很快得出结论，荧光是由某种东西引起的，未知的X，从管子中的阴极射线击中玻璃墙的地方沿直线传播；未知物质被金属吸收，这些金属在屏幕的荧光区投下阴影。因此，他谈到了X-射线; 他表明，这些射线在物质中以指数形式被吸收，其指数大致与所穿越的质量成正比，但比勒纳德发现的相应阴极射线的指数要小得多；他发现了X射线的照相作用，并拍摄了木箱中一组黄铜砝码的第一张照片，不久之后，拍摄了活体手上骨头的第一张图片；他指出，通过让阴极射线撞击重金属“阳极”（也可能是管子的阳极）而不是玻璃壁，可以增加X射线的输出，从而开始了技术X射线管的开发；他发现X射线使空气导电并使静电计放电；为了阐明X射线的本质，他进行了巧妙但完全是否定的实验，在这些实验中，他徒劳地寻找反射、折射或衍射，即波现象的特征。

伦琴很清楚，他发现了一些根本性的新东西，他必须对自己的事实加倍确信。他最恨的就是过早或错误的出版物。按照他的习惯，他独自完成这项工作，甚至不与助手谈论。最后，在1895年12月，他写下了他著名的第一次沟通为当地的维尔茨堡科学协会。在其10页中，他以精确的叙述方式陈述了事实，但他忽略了所有个人或历史迹象，就像在他之前和之后的所有作品中一样，这些都是他认为有损于科学出版最终性的短暂因素。论文很快就完成了，伦琴向他的一些科学朋友发送了校样或重印本作为新年祝福。

三个月后（1896年3月）第一次沟通随后是第二页，共七页。在该报告中，伦琴报告了关于带电绝缘金属和电介质在空气、气体或真空中通过辐照放电的仔细实验；他发现铂阳极比铝阳极发射更多的X射线，并建议为了有效地产生X射线，应使用凹镜形式的铝阴极和焦点处倾斜45°的铂阳极。最后，他指出，目标不必同时是管子的阳极。

一年后（1897年3月），出现了第三次也是最后一次通信，比前两次加起来略长，包含了进一步的观察和测量。这本书第五页的格言就是从中摘取的。这三份通讯中的这31页证明了伦琴出版物的经典简洁。

* * *

这一发现引发的反应在一般来说，科学仍然是少数人的事情时是闻所未闻的。在荧光屏上看到一只活生生的手的骨头被周围的肉剥掉了，无论是医学界还是普通大众，都被一种神秘的纪念森森的感觉所征服，这种感觉在当代报纸的许多严肃和讽刺文章中得到了宣泄。第一批医疗应用迅速推出，对“伦琴管”的需求迅速启动了一个自那时以来一直在扩张的行业。伦琴基本上是一个腼腆而内向的角色，年轻的威廉二世皇帝下令伦琴在柏林宫殿展示他的发现——伦琴不能拒绝邀请，因为他提出了许多其他要求。作者还记得柏林改建后的波茨坦-布吕克教堂（Potsdamer Brücke）扶壁上的四尊雕像揭幕仪式，这四尊雕像是奉皇帝之命作为德国科学和工业的代表安放在那里的：卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）、赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）、维尔纳·西门子（Werner Siemens）和威廉·康拉德·伦琴。这一定是在1898年或'99年，家族内部有很多讨论，是否应该将这样一个新奇且不为人所知的发现与其他三位人物公认的成就放在同等的地位读者会在O·格拉瑟的书中找到一个关于后发现时期的有趣描述（除此之外还有许多有趣的细节）威廉·康拉德·伦琴与X射线的历史.

2.3. 1912年前X射线知识的进展

尽管人们对X射线普遍抱有热情，而且有大量物理学家和医务人员在该领域工作，但在接下来的十五年里，只发现了很少的基本事实。的确，X射线管和高压发生器的技术不断发展，以应对医疗行业日益增长的需求，特别是在这一时期末，人们开始认识到非常硬的X射线的治疗用途。相当强大的X射线设备的商用性极大地促进了弗里德里希和克尼平后来在1912年的实验。但是，在揭示X射线性质的实验中，只需要提到四个：

a.X射线的偏振（Barkla 1905）。

伦琴在第二次通信中已经注意到，当X射线穿过一个物体时，会被散射，即偏离原来的方向。巴克拉利用这一特性进行了一项实验，该实验与马吕斯探测光的偏振态的实验类似。马卢斯（1808）发现，卢森堡宫窗户上反射的夕阳光线通过这种反射获得了一处新的房产；因为如果它们在一定角度下再次被一块玻璃板反射，玻璃板可以围绕来自窗户的光线的方向旋转，则两次反射光线的强度将随玻璃板的旋转角度而变化，当两次反射的光线与前两个方向成直角传播时最小，当光线在其平面内传播时最强。这证明了光是横波运动，而不像声音那样是具有轴对称性的纵向运动。Barkla用X射线重复了这个实验，唯一的不同是，没有X射线的镜面反射，他必须用在大约90°角下的弱得多的散射来代替反射。他找到了他正在寻找的依赖，并得出结论如果X射线是一种波动，就像光一样，是横波。Herweg（1909年）和H.Haga（1907年）后来的同类实验充分证实了这一点。

b.巴卡拉发现“特征”X射线（1909年）。

当时X射线的特征只能是其“硬度”，即穿透力。一般来说，施加在X射线管上的电压越高，发射的X射线就越难，也就是说，它在给定材料（如铝或碳）中的吸收系数就越小。然而，吸收系数并不是一个常数，因为由于离开管子的辐射的软成分被吸收器的第一层吸收，剩余的辐射由较硬的X射线组成。因此，吸收系数随穿透深度的变化表明X射线的不均匀成分。Barkla研究了含有不同金属抗坏血酸的试管，发现在试管运行的一定条件下，出射X射线含有一种强均匀成分，即吸收系数恒定的成分。他发现，吸收系数随反电极材料原子量的增加而降低，并且通过两条单调曲线（一条用于较轻元素，另一条用于较大元素）以图形方式显示了这种关系。他把这两种辐射称为K系列和L系列，这是X射线所来自的元素的特征。这一发现形成了X射线与物质之间的第一种联系，尽管这种联系仍不明确，但这种联系超出了仅仅由质量存在所决定的影响。

c.光电效应。

光电效应是当光线或X射线落在气体或固体中的原子上时，电子的发射。它的第一次观察要追溯到1887年的海因里希·赫兹（Heinrich Hertz），他注意到感应线圈火花的最大长度是通过用紫外线照射间隙而增加的。第二年，W.Hallwachs表明，紫外线可以消散带负电荷的绝缘板的电荷，但不会消散带正电荷的板的电荷。这在空气和真空中都会发生，在后一种情况下，磁偏转证明电荷的耗散是通过电子的发射来实现的。1902年，菲利普·勒纳德发现了一个显著的事实，即落在金属板上的光的强度影响电子的发射速率，但不影响电子的速度。三年后，阿尔伯特·爱因斯坦认识到这一结果的重要性，在1905年他发表的四篇著名论文中，他将普朗克量子化能量的概念应用于这一现象，将发射电子的动能和势能之和等同于频率为ν的单色辐射所提供的能量量子hν：

（1/2）mν²+p=hΓ（p=势能）

当时，这是普朗克为推导黑体辐射定律而提出的量子化能量概念的一个大胆应用和推广，其物理意义尚不明确。爱因斯坦的方程一开始并没有被紫外光的实验结果很好地证实，因为方程中的未知功项p与其他两项具有相同的数量级。如果使用更大的X射线能量hν，情况就不是这样了，因此，爱因斯坦关系的完全令人信服的证明必须等到X射线的波长和频率可以通过晶体衍射精确地确定，然后，该方程可用于测量普朗克常数h的精确方法。

在此之前，威利·维恩于1907年通过颠倒光电效应的顺序，对X射线波长（假设X射线是波运动）进行了初步测定：他认为电子撞击靶的能量是由施加在管上的电压给出的，忽略了小功项p，计算了辐射的频率和波长。假设电压为20000伏，则得出λ=0.5º。

W·H·布拉格解释说，X射线对气体的电离作用（X射线的量是X射线强度的量度）主要是对气体分子的光电效应，快速喷射的电子会产生进一步的电离作用。事实上，在这一过程中，大量能量必须在一次动作中从X射线转移到气体中，这使他将这视为一个碰撞过程，并进一步提出了X射线是中性粒子的粒子流或±电荷的双重粒子流的概念。

d.狭缝衍射。

伦琴本人在他的第一次沟通通过让X射线通过细缝来产生衍射效果的无结果尝试。荷兰物理学家Haga和Wind（1903年）重复了这些尝试。他们声称已经记录到微弱的衍射条纹，但他们的结果受到质疑，因为可能是由于显影引起的摄影效果。1908年和1909年，汉堡的B.Walter和R.Pohl基本上重复了相同的实验，在调整过程中极为小心。狭缝是通过将两块金属板的精细抛光和镀金直边放在一端接触，另一端用云母薄片隔开而形成的锥形狭缝。X射线通常落在狭缝上，照相底片放在狭缝后面，与平面平行。如果发生衍射，人们预计狭缝最窄的部分会产生最宽的条纹分离。另一方面，由于狭缝的狭窄，它们的强度最低。由于为了完全吸收X射线，形成狭缝的板的厚度必须为1-2 mm左右，有效部分的狭缝宽度为l/50 mm左右，因此狭缝实际上是X射线必须穿过的一个深裂缝。Walter和Pohl的平板显示了狭缝的楔形图像，狭缝的窄端呈扇形散开，形成刷子状的模糊条纹系统。幸运的是，1910年，伦琴的助手之一P.P.科赫（P.P.Koch）利用一对最近改进的光电管连续记录照相底片的变黑情况，致力于建造第一台自动缩微计。仪器一完成并测试，科赫就在沃尔特和波尔的原版上描出了几个部分，这些部分显示出可能由衍射引起的变化。

因此，X射线是波现象的可能性再次上升。波长的量级可以从条纹分离和所取任何横截面上狭缝的宽度中大致得到。但是，由于光强分布与通过狭缝衍射光波获得的光强分布有很大的不同，衍射问题的主要数学学家索末菲在讨论沃尔特-波尔-科赫曲线之前，发展了光波通过深狭缝衍射的理论。科赫和索末菲的两篇论文于1912年一起发表。索末菲的结论是，条纹的模糊性是由X射线相当大的光谱范围引起的，而该范围的中心位于波长约为4 X 10的位置^-9这一可能但绝非唯一的解释在年出现之前几个月就在慕尼黑的物理学家中为人所知物理学年鉴1912年5月。波长与W.Wien的估计大致相符。

e.波浪或珊瑚？

1911年底，X射线仍然是物理学中的一个谜。一方面，有非常有力的论据支持光电效应所呈现的微粒性质。根据经典物理学，解释相对大量的能量从辐射场集中瞬时转移到电子动能是完全不可能的。

另一方面，一些现象很好地符合X射线的场或波概念。早在1896年，三位物理学家就独立地对X射线的产生做出了合理的解释：曼彻斯特的斯托克斯、巴黎的利纳德和柯尼斯堡的威彻特。他们假设阴极射线由带电粒子流组成，每个粒子流都被其电磁场包围。在撞击目标（或“反阴极”）时，这些粒子会突然停止，磁场消失或变为静止粒子周围的静态场。这种突然的磁场变化以光速从反阴极向外扩散，构成单个X射线脉冲。在许多方面，X射线似乎类似于子弹击中装甲板的声音报告。为了计算出这一理论，以便在实验中进行验证，必须对目标中的撞击过程进行假设，最简单的假设是在目标中的几个原子距离上持续减速。该理论很容易解释X射线的非周期性或光谱不均匀性，如不均匀吸收所示；也适用于双重散射实验中所示的极化。然而，需要获得更多关于实际停止过程的信息，为此，G.W.C.Kaye于1909年对薄片中产生的X射线强度的角分布进行了测量，在薄片中，似乎只发生了很少的减速冲击。索末菲（Sommerfeld）是撞击或“Bremsstrahl”理论的主要倡导者之一，他计算了角度分布，并发现作为一个一般结果，施加的电压越高，电子的速度越快，场的发射越局限于速度方向周围的圆锥体表面，其开度随电压的增加而减小。X射线和γ射线的测量结果很好地证实了这一点，前提是目标中没有特征辐射。因此，我们必须区分作为“Bremsstrahlen”或“脉冲”或“白色X射线”（即通过减速撞击）产生的一般X射线，以及由发射材料决定的吸收更均匀的X射线（“特征X射线”）。

问题是特征辐射是否也可以找到极化和定向发射。为了进行实验研究，索末费尔德在1911年底任命了一名助理沃尔特·弗里德里希，他刚刚在毗邻的伦琴领导的实验物理研究所完成了博士论文。他的论文主题是研究从铂靶获得的X射线的方向分布；因此，他完全熟悉将调查扩展到目标的技术，以及操作该管的模式，该管产生强特征射线，而不是轫致辐射。