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X 射线辐射。 科学发现的历史和本质
1896年XNUMX月，关于维尔茨堡大学教授威廉·康拉德·伦琴的轰动性发现的报纸报道如风暴般席卷欧美。 似乎没有一份报纸不会刊登这只手的照片，后来证明，这只手属于教授的妻子伯莎·伦琴。 伦琴教授将自己锁在实验室里，继续深入研究他发现的射线的特性。 X 射线的发现推动了新的研究。 他们的研究带来了新发现，其中之一就是放射性的发现。 德国物理学家 威廉·康拉德·伦琴 (1845-1923) 出生于普鲁士雷姆沙伊德附近的一个小镇伦内普，是成功的纺织商人弗里德里希·康拉德·伦琴和夏洛特·康斯坦斯 (nee Frowijn) 伦琴的独生子。 1862 年，威廉进入乌得勒支技术学校。 1865 年，伦琴被苏黎世联邦理工学院录取为学生，因为他打算成为一名机械工程师。 三年后，威廉获得了文凭，一年后，他在苏黎世大学通过博士论文答辩。 之后，伦琴被昆特任命为实验室的第一助理。 昆特在维尔茨堡大学（巴伐利亚州）担任物理学教授后，带着他的助手。 搬到维尔茨堡是伦琴“智力冒险”的开始。 1872 年，他与昆特一起搬到斯特拉斯堡大学，并于 1874 年在那里开始了他的教学生涯，担任物理学讲师。 1875 年，伦琴成为霍恩海姆（德国）农业学院的全职（真正的）物理学教授，并于 1876 年回到斯特拉斯堡，开始在那里教授理论物理学课程。 伦琴在斯特拉斯堡进行的实验研究涉及物理学的各个分支，用他的传记作者奥托·格拉泽的话来说，伦琴为伦琴赢得了“微妙的经典实验物理学家”的美誉。 1879 年，伦琴被任命为黑森大学的物理学教授，直到 1888 年他一直拒绝在耶拿大学和乌得勒支大学担任物理学教授。 1888年他回到维尔茨堡大学担任物理学教授和物理研究所所长。 1894年伦琴被选为大学校长后，开始了玻璃真空管中放电的实验研究。 8 年 1895 月 XNUMX 日晚上，伦琴在他的实验室里照常工作，研究阴极射线。 将近半夜，他觉得有些疲倦，正要离开，环顾了实验室一圈，关灯准备关门，突然发现黑暗中有什么发光点。 原来是一块用钡增效剂制成的屏幕在发光。 他为什么会发光？ 太阳早已落山，电灯无法发光，阴极管熄灭，并盖上黑纸板罩。 伦琴又看了看阴极管，责备自己：原来是忘记关了。 摸到开关，科学家关掉了接收器。 屏幕的光芒消失了； 再次打开接收器 - 光芒再次出现。 这意味着辉光是由阴极管引起的！ 但是怎么办？ 毕竟，阴极射线被盖子延迟，管子和屏幕之间的气隙是装甲。 于是开始了发现的诞生。 从一时的惊讶中回过神来，伦琴开始研究发现的现象和他称之为 X 射线的新射线。 他把盒子留在管子上，这样阴极射线就被遮住了，他开始拿着屏幕在实验室里走来走去。 原来一米半到两米，对于这些不知名的射线来说，并不是什么障碍。 它们轻而易举地穿透一本书、玻璃、镜框……当科学家的手在未知光线的路径上时，他在屏幕上看到了她骨头的轮廓！ 神奇又令人毛骨悚然！ 但这只是一分钟，因为伦琴的下一步是走向放着照相板的柜子：有必要修正他在照片上看到的东西。 于是开始了新的夜间实验。 科学家发现光线照亮了板，它们不是围绕管子呈球形发散，而是有一定的方向...... 早上，筋疲力尽的伦琴回家稍作休息，然后又开始用不知名的射线工作。 大多数科学家会立即发表这样的发现。 另一方面，伦琴认为，如果能够通过测量它们的特性，提供一些关于他发现的射线性质的数据，那么这个信息会更令人印象深刻。 因此，他努力工作了五十天，测试了他想到的每一个假设。 X 射线证明射线来自管子，而不是来自任何其他设备。 就在新年之前，即 28 年 1895 月 XNUMX 日，伦琴决定让他的同事们了解所做的工作。 在三十页上，他描述了所进行的实验，以单独的小册子的形式印刷了这篇文章，并将其与照片一起发送给了欧洲的主要物理学家。 “荧光是可见的，”伦琴在他的第一次通信中写道，“有足够的暗度，并且不取决于纸张是否带有涂有铂-氰钡的一面。即使在两米的距离内也能看到荧光。距离管子几米。” “很容易验证荧光的原因来自放电管，而不是来自导体中的任何地方。” 伦琴认为荧光是由某种射线（他称之为 X 射线）穿过管盖的黑色纸板引起的，这种射线是普通可见和不可见光线无法穿透的。 因此，他首先研究了各种物质对 X 射线的吸收能力。 他发现所有的身体都可以透过这种药剂，但程度不同。 光束穿过一本 1000 页的精装书，穿过一副扑克牌。 2 到 3 厘米厚的云杉板吸收的光线很少。 一块大约 15 毫米厚的铝板虽然大大削弱了射线，但并没有完全摧毁它们。 “如果你把手放在放电管和屏幕之间，你可以在手本身阴影的微弱轮廓中看到骨头的黑暗阴影。” 光线作用在照相底片上，“你可以在有灯光的房间里拍照，用一个装在暗盒或纸壳里的底片。” 然而，伦琴无法探测到 X 射线的反射或折射。 然而，他确定，如果“没有发生正确的反射，那么各种物质对 X 射线的行为就像混浊介质对光的行为一样”。 因此，伦琴确立了物质对 X 射线散射的重要事实。 然而，他所有检测 X 射线干扰的尝试都给出了否定的结果。 试图通过磁场偏转射线也给出了否定的结果。 伦琴由此得出结论，X 射线与阴极射线不同，而是在放电管的玻璃壁中被阴极射线激发。 在报告的结尾，伦琴讨论了他发现的射线的可能性质的问题： “如果我们问 X 射线到底是什么（它们不可能是阴极射线），那么从它们强烈的化学作用和荧光来看，我们可以将它们归因于紫外线。但在这种情况下，我们立即面临严重的障碍。确实，如果X射线是紫外线，那么这种光应该具有以下特性： a) 当从空气到水、二硫化碳、铝、岩盐、玻璃、锌等时，不会出现任何明显的折射； b) 从这些物体上看不到任何明显的正确反射； c) 不被所有常用方法极化； d) 它的吸收不取决于身体的任何特性，除了密度。 因此，有必要接受这些紫外线的行为与迄今为止已知的红外线、可见光和紫外线完全不同。 我无法决定这一点，并开始寻找另一种解释。 新光线和光线之间似乎存在某种关系。 这可以通过阴影图像、荧光和两种射线产生的化学效应来表示。 人们早就知道，除了横向光振动之外，在以太中也可能发生纵向振动。 一些物理学家认为它们一定存在。 当然，它们的存在还没有被清楚地证明，因此它们的性质还没有经过实验研究。 新射线不应该归因于以太中的纵向振动吗？ 我必须承认我越来越倾向于这种观点，并且我冒昧地在这里表达这个假设，尽管我当然知道它需要进一步的证实。 1896 年 45 月，伦琴进行了第二次通信。 在这篇通讯中，他描述了关于射线的电离作用的实验以及对各种物体激发 X 射线的研究。 作为这些研究的结果，他说“没有一个固体在阴极射线的作用下不会激发 X 射线。” 这导致伦琴重新设计了管子以产生强烈的 X 射线。 “我已经成功使用以下设备的放电管几个星期了。它的阴极是一个凹面铝镜，在它的曲率中心，与镜轴成 XNUMX 度角，有一块铂板放置，用作阳极。” “在这个管子中，X 射线从阳极射出。根据对各种设计的管子的实验，我得出的结论是，X 射线的强度与激发位置是否无关紧要。阳极与否。” 通过这种方式，伦琴确立了铝阴极和铂阴极 X 射线管的基本设计特征。 伦琴的发现不仅在科学界，而且在整个社会都引起了巨大的共鸣。 尽管伦琴给他的文章取了一个不起眼的标题：“关于一种新的光线。初步交流”，但它引起了各国的极大兴趣。 维也纳教授埃克斯珀向《新自由报》报道了新的不可见射线的发现。早在 22 年 1896 月 XNUMX 日，在圣彼得堡，伦琴的实验在大学物理礼堂的一次演讲中得到了重复。 伦琴射线很快在医学和技术中得到了实际应用，但它们的性质问题仍然是物理学中最重要的问题之一。 X射线重新点燃了光的粒子性和波动性之间的争论，并进行了许多实验来解决这个问题。 1905 年，X 射线研究的 1917 年诺贝尔奖获得者查尔斯·巴克拉 (Charles Barkla)（1877-1944 年）利用 X 射线对带电体放电的能力对这些散射射线进行了测量。 射线的强度可以通过测量验电器在它们的作用下放电的速度来确定，比如用金色的叶子。 Barkla 在一项出色的实验中研究了散射辐射的特性，导致其二次散射。 他发现90度散射的辐射不能再90度散射。 这是令人信服的证据，证明 X 射线是横波。 微粒观点的支持者也没有闲着。 威廉亨利布拉格（1862-1942）认为他的数据证明伦琴射线是粒子。 他重复了伦琴的观察，并确信 X 射线能够释放带电体。 发现这种效应是由于空气中离子的形成。 布拉格发现，太多的能量被转移到单个气体分子上，以至于只能通过连续波前的一小部分进行转移。 这段明显矛盾的时期——因为巴克尔和布拉格的结果无法相互调和——在 1912 年被一个单一的实验突然结束。 这个实验是由思想和人的愉快结合进行的，可以被认为是物理学中最伟大的成就之一。 当研究生 Ewald 求助于理论物理学家 Max Laue (1879-1960) 时，迈出了第一步。 让劳厄感兴趣的埃瓦尔德的想法如下。 要检查 X 射线是否是波，必须进行衍射实验。 然而，任何人工衍射系统显然都过于粗糙。 但晶体是一种天然的衍射光栅，比任何人工制造的都要精细得多。 X射线会被晶体衍射吗？ 劳厄不是实验者，需要帮助。 他向索末菲 (1868–1951) 寻求建议，但索末菲并不支持他，称热运动肯定会极大地扰乱晶体的正确结构。索末菲拒绝让他的一位助手弗里德里希将时间浪费在这种毫无意义的事情上实验。 幸运的是，弗里德里希有不同的看法，并在他的朋友 Knipping (1883-1935) 的帮助下，秘密地进行了这项实验。 他们选择了一种硫酸铜晶体——大多数实验室都可以买到这些晶体——并组装了装置。 第一次曝光没有给出任何结果； 该板被放置在管（X 射线的来源）和晶体之间，因为人们认为晶体应该充当反射衍射光栅。 在第二个实验中，Knipping 坚持在晶体周围的所有面上都放置照相板：毕竟，必须考虑到每一种可能性。 在其中一块板上，位于 X 射线束路径中的晶体后面，发现了他们正在寻找的效果。 因此，发现了X射线衍射。 1914 年，劳厄因这一发现获得了诺贝尔奖。 1913 年，俄罗斯的 GW Wolf 和英国的 Bragg 父子重复了 Laue 和他的朋友们的实验，但有了一个显着的变化：他们将 X 射线以不同角度照射到晶体表面。 比较在这种情况下在照相板上获得的 X 射线图像，研究人员可以准确地确定晶体中原子之间的距离。 布拉格一家获得了 1915 年的诺贝尔奖。 因此物理学出现了两个基本的科学事实：X 射线具有与光线相同的波动特性； 借助 X 射线，您不仅可以探索人体的内部结构，还可以深入了解晶体的深处。 利用 X 射线，科学家们现在可以轻松区分晶体和无定形体，检测不透光的金属和半导体深处原子链的变化，确定在强烈加热和深度冷却过程中晶体结构发生的变化。压缩和拉伸。 伦琴没有申请专利，将他的发现交给了全人类。 这使得来自世界各地的设计师能够发明各种 X 射线机。 医生希望借助 X 射线尽可能多地了解患者的疾病。 很快，他们不仅能判断骨折，还能判断胃的结构特征、溃疡和肿瘤的位置。 通常胃对X光是透明的，德国科学家Rieder建议在拍照前给病人喂食……硫酸钡粥。 硫酸钡对身体无害，对 X 射线的透光性远低于肌肉或内部组织。 这些图片显示了人体消化器官的任何缩小或扩张。 在最近的 X 射线管中，热钨螺旋辐射出电子流，铁或钨薄板的反阴极位于电子流上。 电子从对阴极中击出强大的 X 射线流。 在地球之外发现了强大的 X 射线源。 在新星和超新星的深处，有一些过程会产生高强度 X 射线。 通过测量到达地球的 X 射线通量，天文学家可以判断发生在距我们星球数十亿公里的现象。 出现了一个新的科学领域——X射线天文学…… 如果没有 X 射线分析，XNUMX 世纪的技术就无法拥有今天所拥有的各种材料的宏伟星座。 作者：萨明 D.K.
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