倫琴是怎么發現X射線的？

　　倫琴其人

　　圖1 X射線的發現者倫琴

　　倫琴(Wilhelm Conrad R?ntgen，1845—1923)，德國物理學家，因X射線的發現而名垂青史(圖1)。倫琴出生于德國，三歲時回到母親的故鄉荷蘭烏特勒支(Utrecht)，在烏特勒支技術學校上的中學，但未獲得中學畢業證書。沒有高中畢業證書，倫琴就無法在德國上大學。1865年，倫琴進入新建的瑞士聯邦理工(如今叫ETH Zurich)學習機械工程，1869年從蘇黎世大學獲得了博士學位。在蘇黎世大學其間，倫琴得到了孔特(August Kundt，1839—1894)教授的賞識，這為他一生的成功埋下了伏筆。1869年，倫琴作為孔特的助手來到了德國西南部的維爾茨堡(Würzburg)大學。由于倫琴沒有高中畢業證書，故他雖然擁有蘇黎世大學的博士學位卻也不能做Habilitation(德國一帶的學術升遷制度。博士以后做Habilitation，要求獨立做研究。通過Habilitation的博士可以把頭銜改為Habil. Dr. ，可以在大學擔任私俸講師，有資格到其他學校申請教授職位)，自然也就沒有升教授的可能。盡管孔特特別賞識倫琴的才華，為其力爭，但在講究規則的德國也沒有絲毫回旋的余地。恰好不久普法戰爭(1870—1871)結束了，1872年德國要在斯特拉斯堡(Strassburg，現屬法國)建立斯特拉斯堡大學(Kaiser-Wilhelm-Universit?t Strassburg)，孔特前往該大學任職，把倫琴也帶過去了。估計是在新占領地區建的新學校，政策放寬了些，這樣就把倫琴的Habilitation問題給解決了。1874年，倫琴成了斯特拉斯堡大學的私俸講師，1875年在霍亨海姆(Hohenheim)大學的農業系找到了第一個教授位置，其后先后在斯特拉斯堡和吉森(Giesen)的大學做教授，1888年倫琴重回維爾茨堡大學，在那里實現了人生的輝煌。1900年，倫琴又轉往慕尼黑大學任教，直至1923年辭世。

　　X射線的發現

　　X射線的發現，是在研究陰極射線過程中偶然發現的。欲從科學研究方法的角度評價X射線的發現，有必要先談談陰極射線的發現與研究。這一段傳奇直接緣起1865年蓋里克(Otto von Guericke，1602—1686)發明了氣泵所帶來的氣體放電研究，其間思想火花飛濺，劇情跌宕起伏，是物理學史的重頭戲。限于篇幅，筆者此處只能擇其要點略述大概。

　　設想給平行板電容器充電后放置觀察，會發現電荷很快就消失了。可能的原因包括絕緣不好，平行板上有毛刺(干脆換成針尖任由電荷泄露，這就是后來的電子槍了)，存在環境氣體，等等。把平行板封裝在玻璃殼里，發現漏電會少一些但仍然有漏電。人們自然會想到，如果將玻璃殼里的空氣抽出來，漏電問題會有所改善。一開始果然如此，不過當玻璃殼內的氣壓小到一定程度而所加電壓足夠高時，漏電反而更劇烈了，氣體發光了——這帶來了氣體放電(gas discharge)。氣體放電引起了物理學家的極大興趣，為此制作了許多實驗設施開展研究(圖2)。仔細觀察氣體放電過程，會發現陰極一側存在一個暗區。減小氣壓，暗區會向陽極方向延長。當氣壓小到一定程度時，會發現陽極竟然亮了。陽極亮了，那應該是被來自陰極的某種射線給照亮了的。1869年希托弗(Johann Hittorf，1824—1914)首先想到必定是有什么東西從陰極射向陽極，1876年戈登斯坦(Eugen Goldstein，1850—1930)認為那東西就來自陰極，于是將這種射線叫作陰極射線(Kathodenstrahlen，cathode ray)，性質待定。

　　圖2 與氣體放電相關的一些電學實驗[4]

　　研究陰極射線后來常用的是克魯克斯(William Crookes，1832—1919)管，包括一個抽了真空的密封玻璃管，有兩個金屬電極，一般兩個電極會采用相對的幾何，后來為了研究陰極射線會把陽極放在側面。此外，為了探究陰極射線的性質人們還在玻璃管中間放上孤立的鐵十字或者小風車(圖3)。陰極射線能將小風車打得轉起來，這說明它是粒子。此外，陰極射線受磁場影響，會發生偏折(圖3，圖4)，令人猜測其是帶電的。許多著名物理學家都投入了陰極射線的研究，這包括德國的赫茲(HeinrichHertz，1857—1894)、倫納德(1862—1947)，英國的湯姆孫(J. J. Thomson，1856—1940)等人。湯姆孫于1897年測定了陰極射線的質量約為氫原子，并且發現其諸多性質同光電效應產生的粒子和放射性物質發出的β粒子相似，比如帶負電荷[5]。后來這些粒子或射線被發現都是電子(electron)。倫納德因陰極射線的研究獲得1905年度的諾貝爾物理學獎，湯姆孫因電子的發現獲得1906年度的諾貝爾物理學獎，這是后話。

　　圖3 陽極在下部、中間安置了一個鐵十字的克魯克斯管，細的尾端是陰極。左圖：未加電壓沒有放電；中圖：加上電壓有放電，鐵十字的影子在陰極對面清晰可見；右圖：加磁場，可以動鐵十字的影子，且影子也變得模糊

　　圖4 陰極射線受磁場影響。特斯拉線圈在克魯克斯管外產生的磁場在管內造成了一個光圈

　　倫琴于1888年回到維爾茨堡大學任物理教授，受赫茲、倫納德的影響也研究陰極射線，他用的設備都是跟赫茲、倫納德借的。既然認識到陰極射線是粒子，受磁場作用能偏折，那能不能把它引出玻璃管外加以研究呢？為此，要在玻璃管上鉆一小孔，用金箔封上，外側再加紙板之類既能抗得住內外壓力差又(估計)能讓陰極射線透過的材料作支撐。注意，在小孔外需要用熒光材料，比如氫氰酸鋇，以探測是否有陰極射線出來。由于預期陰極射線即便被引出來也不會太強，那它能激發的熒光也不會太強，所以這樣的研究應該在黑暗的屋子里進行。碰巧的是，倫琴是個富家子弟，在19世紀末就是個出門就挎相機的人。他在瑞士上大學期間，和朋友遠足時就總帶著相機和黑布罩(想當實驗物理學家的人，最好是有手藝的)。1895年11月8日，倫琴發現放在遠處的一塊熒光板竟然是亮的且顯然不是由陰極射線引發的？那估計是一種新的未知射線造成的，倫琴管它叫X射線[6]。4周后，發現X射線的消息傳遍了全世界。1895年12月22日，倫琴用X射線拍攝了其夫人手部的照片，演示了X射線強大的穿透能力。后來，倫琴又于1896年1月23日拍攝了解剖學家AlbertvonK?lliker的手，這讓人們看到了X射線巨大的醫用潛力。vonK?lliker在那一年的自然科學家大會上建議將X射線稱為倫琴射線，也得到了響應。倫琴覺得X射線應該跟光有點兒親戚關系，但是他用干涉現象來確認X射線是光的努力沒能成功。

　　倫琴之所以能發現X射線，除了因為想要把陰極射線引出玻璃殼外因而動用了熒光材料以及倫琴是攝影愛好者常于暗室工作以外，最重要的前提是他的設備產生了足夠強的X射線——要發現X射線總得有X射線可發現才是。如今我們知道，光子能量在約100 eV—100 keV，對應波長在10 pm—10 nm的電磁輻射屬于X射線。對于一般的金屬陽極，受陰極射線轟擊產生可供探測到的X射線(來自軔致輻射部分)大約總需要5000 V的高壓，電壓不夠高可能是倫琴之前的研究者未能注意到X射線存在的原因。筆者猜測，是為了讓陰極射線能夠穿透金箔，倫琴才使用了盡可能高的電壓的。

X射線被發現之后

陰極射線和X射線的發現都是無心插柳的結果，這從這兩個完全不知所云的名字就能看出來。倫琴發現X射線事先沒有任何的偉大規劃，就是因為把電壓加得足夠高了，又碰巧自身是個攝影愛好者。有人問倫琴他發現X射線時在想什么，倫琴回答說，我沒想什么，我就是在研究。然而，陰極射線和X射線這種無心插柳式的偉大發現還是激發了人們發現更多未知射線的熱忱，甚至到了強迫物理世界滿足人之研究期望的地步，在法國更是引發了N射線研究的丑聞。

　　倫琴沒有為X射線的發現申請任何專利，他認為那是屬于全人類的，理應讓公眾免費獲得。1901年，倫琴獲得首屆諾貝爾物理學獎，他把5萬瑞典克朗的獎金捐給了維爾茨堡大學。維爾茨堡大學至今走出了6位諾貝爾物理獎獲得者，其他5位分別是維恩(Wilhelm Wien，1864—1928)于1911年因為熱輻射的研究，斯塔克(Johannes Stark，1874—1957)于1919年發現斯塔克效應，勞厄(Max von Laue，1879—1960)于1914年實現X射線衍射，布朗(Ferdinand Braun，1850—1918)于1909因對無線電技術的貢獻，克利青(Klaus von Klitzing，1943—)于1985年因為發現整數量子霍爾效應而獲獎。勞厄于1912年在慕尼黑大學實現了X射線的晶體衍射，應該是受倫琴工作的影響，倫琴自1900年起就一直在慕尼黑大學。

　　倫琴在實驗室里發現X射線不久，X射線強大的穿透能力就讓其在醫學領域得到了廣泛應用，如今大部分人知道X射線這一概念也還是得自醫療體驗。其實，大自然中有多種產生X射線的機制，人類也研究出了多種產生X射線的機制，甚至有了X射線激光。X射線是特定能量(波長、頻率)范圍內的電磁輻射，一方面它就是電磁輻射而已，另一方面我們必須牢記，光，或曰電磁輻射，在每一個頻率上都有獨特的物理。X射線的研究與應用已經為人類帶來了諸多成果與福祉，未來它必然還會允諾更多。