物理学史论文X射线.doc

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X射线——世纪之交物理学的三大发现之一

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X射线三大发现之一伦琴本性原理特性

摘要：

19世纪末20世纪初，电子的发现、X射线的发现和放射性现象的发现，被人们称为世纪之交物理学的三大发现，在物理学上具有重要的意义。

在发现X射线的研究上，许多物理学家做出了不少努力，但他们都没有发现X射线，直到1895年伦琴的研究，才有了这一重大的发现。

然而，尽管发现了X射线，人们却不知道X射线的本质是什么，在一段时期内，对X射线的本性众说纷纭。

随着科学的发展，人们对X射线的研究更加深入，并逐渐发现了其产生原理和特性，X射线对人们来说已不再陌生。

一、X射线的发现

X射线的发现起源于对阴极射线的研究。

德国物理学家伦琴为了探明阴极射线的性质，重复做了赫兹、勒纳德等人的实验。

1895年11月8日晚，为了防止外界对放电管的影响，同时也不使管内的可见光线漏出管外，他用黑纸板把放电管完全包了起来，房间也是完全遮光的暗室。

实验时，他意外地发现在一米以外的涂有亚铂氰化钡的荧光屏发出了微弱的荧光。

这一现象使他十分惊奇。

他全神贯注地继续进行实验：

把屏反转过来，使没有涂氰化钡的一面朝着管子，屏仍然发出荧光；将屏逐渐移远，即使移到远离管子两米以外，仍有荧光，只是稍弱一些而已。

那时已经查明，阴极射线在空气中只能穿过几厘米，而在远离管子两米以外的屏上仍有荧光，所以，伦琴确信这种现象是无法用阴极射线的性质来解释的。

伦琴确信他已经发现了一种新的射线，为了进一步研究这种射线的性质，他连续六个星期吃住在实验室，废寝忘食地用各种方法反复进行实验。

他发现，这种射线能穿透千页的书、2-3厘米厚的木板、几厘米厚的橡胶板、15毫米厚的铝板等等。

这表明这种人眼看不见的射线具有很强的穿透能力，但对不同物质的穿透能力是不同的。

1.5毫米厚的铅片几乎就能完全把这种射线挡住。

当他进一步用铅片进行实验时，又意外地发现了自己手的骨骼的图像。

12月22日，伦琴的夫人到实验室来，伦琴为她拍摄了一张戴着戒指的左手的照片。

1895年12月28日，伦琴将他一个多月悉心研究得到的结果写在《论一种新的射线》的论文里，递交给了维尔茨堡物理学医学学会。

文章记述了实验的装置及方法，并初步总结出新射线的以下性质：

新射线来自于被阴极射线击中的固体，固体元素越重，产生出来的新射线越强；

新射线是直线传播的，不被棱镜反射和折射，也不被磁场偏转；

所有物体对新射线几乎都是透明的；

新射线可使荧光物质发光，使照相底片感光，能显示出装在盒子里的砝码、猎枪的弹膛和人手指骨的轮廓。

1896年元旦，伦琴将他的论文和用X射线摄制的第一批照片的复制件寄给了著名物理学家波尔兹曼、开尔文、庞加莱等人。

1月4日，沃伯格在柏林物理学会的一次会议上展出了几张照片。

1月5日，维也纳《新闻报》第一个做了报导。

X射线这个名称是伦琴最先采用的。

他在给孔特的信中说：

“我终于发现了一种光，我也不知道是什么光......无以名之，就把它叫做X光吧。

”后来，人们为了纪念他，又称为“伦琴射线”。

1901年，伦琴成为第一个诺贝尔物理学奖的获得者。

伦琴发现X射线是有一定的偶然性的，但是，只有有心而细心的观察者，才可能利用这种偶然性做出重大的发现。

在伦琴之前，克鲁斯克、勒纳德等人都曾碰到过阴极射线管附近的照片底片感光或物体发出荧光的现象，但是，他们都没有抓住发现的“机遇”。

二、X射线本性之争

X射线的波动性是1912年德国人劳厄用晶体衍射实验发现的。

在此之前，人们对X射线的本性争论不休。

伦琴声称X射线可能是以太中的某种纵波，斯托克斯认为X射线可能是横向的以太脉冲。

由于X射线可以使气体分子电离，汤姆逊也认为它是一种脉冲波。

X射线是波还是粒子？

是纵波还是横波？

最有力的判据是干涉和衍射这一类现象是否存在。

1899年哈加和温德用一个制作精良的三角形缝隙，放在X射线管前面，观察X射线在缝隙边缘是否形成衍射条纹。

他们从X射线的照片判断，如果X射线是波，其波长只能小于10~9厘米。

这个实验后来经瓦尔特和泡尔改进，得到的照片似乎有微弱的衍射图像。

直到1912年，有人用光度计测量这一照片的光度分布，才看到真正的衍射现象。

索末菲据此计算出X射线的有效波长大约为4*10~9厘米。

X射线还有一种效应颇引人注目。

当它照射到物质上时，会产生二次辐射。

这一效应是1897年由塞格纳克发现的。

塞格纳克注意到，这种二次辐射是漫反射，比入射的X射线更容易吸收。

这一发现为以后研究X射线的性质做了准备。

1906年巴拉克在这个基础上判定X射线具有偏振性。

但是偏振性还不足以判定X射线是波还是粒子。

因为粒子也能解释这一现象，只要假设这种粒子具有旋转性就可以了。

果然在1907—1908年间一场关于X射线是波还是粒子的争论在巴拉克和W.H.布拉格之间展开了。

布拉格根据γ射线能使原子电离，在电场和磁场中不受偏转以及穿透力极强等事实主张γ射线是由中性偶——电子和正电荷组成。

后来他把中性偶假设用于X射线，解释了已知的各种X射线现象。

巴拉克则坚持X射线的波动性。

两人各抒己见，在科学期刊上展开了辩论，双方都有一些实验事实支持。

这场争论虽然没有得出明确结论，但还是给科学界留下了深刻印象。

1912年劳厄发现X射线衍射，对波动说提供了最有力的证据。

W.H.布拉格这时已不再坚持他的中性偶假说。

不过，他总是直觉地认为，就像他自己说的那样，似乎问题“不在于（微粒和波动）哪一种理论对，而是要找到一种理论，能够将这两方面包蓄并容。

”

W.H.布拉格的思想对后来的德布罗意有一定影响。

三、产生原理

产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。

撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。

通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。

于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。

由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为特性辐射。

四、X射线的特性

X射线是一种波长极短，能量很大的电磁波，X射线的波长比可见光的波长更短（约在0.001-100纳米），它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。

物理特性

1、穿透作用。

X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。

X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。

X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。

2、电离作用。

物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。

利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。

在电离作用下，气体能够导电;某些物质可以发生化学反应;在有机体内可以诱发各种生物效应。

3、荧光作用。

X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光（可见光或紫外线），荧光的强弱与X射线量成正比。

4、热作用。

物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高。

5、干涉、衍射、反射、折射作用。

这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。

化学特性

1、感光作用。

X射线同可见光一样能使胶片感光。

胶片感光的强弱与X射线量成正比。

2、着色作用。

X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水而改变颜色。

参考目录：

[1]物理学史/郭奕玲，沈慧君编著.—2版.—北京：

清华大学出版社，2005.08

[2]物理学史教程/李艳平，申先甲主编.—北京：

科学出版社，2003

[3]物理学史/刘筱莉，仲扣庄主编.—北京：

南京师范大学出版社，2001.8

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