X射线的发现及其早期研究
■王春燕、王福合/文
年X射线的发现标志着现代物理学的诞生，X射线发现后，包括伦琴在内的很多科学家都兴趣盎然地投身于X射线本质的研究。X射线的发现及其研究，为物理、化学、生物学、医学、天文学等学科的发展提供了革命性的手段和广阔的前景，也为相关学科造就了数十名诺贝尔奖获得者。尤其在物理学领域，物理学家们对于X射线的研究推动了物理学自身的发展。本文回顾X射线的发现，以及X射线晶体衍射现象和X射线晶体学的研究，以纪念它具有特殊的重要意义。
X射线的发现
X射线的发现源于阴极射线的研究。19世纪末，许多科学家都在研究阴极射线，年，德国物理学家赫兹(H.Hertz，~)发现阴极射线可穿透放电管内的金属箔片，年，赫兹的学生勒纳德(P.Lenard，~)继续研究，试图将阴极射线引出放电管外，以便于研究射线的性质，因此他将放电管壁上正对阴极的地方制作一个铝制的小窗口。他发现，阴极射线在大气中的射程只有几厘米。而伦琴相信，一定还有一些问题需要解决，并于年10月开始研究阴极射线。
图1伦琴(WilhelmR?ntgen，~)
在开始一个新的课题前，伦琴总要先重复别人的工作。11月8日晚，伦琴为了避免环境光的影响，他用黑纸把放电管包严，在完全遮光的暗室内进行实验。他用一张涂有氰亚铂酸钡的纸板作为荧光屏，他利用比勒纳德更高的电压和真空度，看看阴极射线是否能射入空气更远些。当放电管加上大电压时，他发现，在黑暗中距离放电管约1米处的荧光屏发出微弱的闪光。断开电源，闪光消逝；再次加上电压，闪光重现；他把纸屏移至两米多远或把纸屏翻过来仍有荧光出现。
射线可透过铝制窗口达一米多远的荧光屏产生荧光，实际上阴极射线打在铝制的小窗口出来的就是X射线，有人将此射线称为“勒纳德射线”，但是勒纳德并没有深入研究，由此错过了X射线的发现。伦琴继续阴极射线的研究，才有了新的发现。
伦琴意识到，新的射线不应是阴极射线，因为阴极射线是不能透过黑纸板，而且在空气中的射程只有几厘米。对此，他废寝忘食地不断重复，最后发现，新的射线可以直线传播，遇到障碍物既不反射，也不折射，在外界磁场下也不偏转；射线具有非常强的穿透本领，能透过上千页的书，甚至几毫米厚的铝板，但不能透过几毫米厚的铅板。他还发现，这种射线能透过手掌而在荧光屏上显现出手指骨的轮廓，于是12月22日，他用这种射线给他夫人的手拍了一张照片(如图2所示)，其指骨清晰，甚至结婚戒指也清晰显露出来。这就是伦琴公开的第一张X射线照片！据说，他的妻子看到这张照片时吓了一跳，她称该射线为“死亡的征兆”。虽然话有些夸张，但伦琴却因X射线的发现获得了年诺贝尔物理学奖。这是第一个获得诺贝尔物理学奖的科学家。
图2第一张X射线照片——伦琴夫人手指X射线照片
年12月28日他发表了关于新射线的论文。他称这种本质尚不清楚的新射线为X射线。年1月5日，维也纳《新闻报》报道了伦琴发现X射线的消息，并引起了轰动。1月23日，伦琴在维尔茨堡大学物理研究所作了关于X射线的第一次报告。他还邀请维尔茨堡大学解剖学教授克利克尔，用X射线拍摄了克利克尔一只手的照片。克利克尔教授带头祝贺，当即建议把这种射线命名为伦琴射线。
X射线本质的探索
X射线是高速运动的电子与物体碰撞时产生的一种电磁波。伦琴发现的新射线，因为并不清楚它的性质，在当时科学界引起极大的争论，且对新射线本质的认识主要分为两种看法：一些人认为，X射线是一些带电粒子，其主要支持者是英国物理学家布拉格(W.Bragg)(见图3)；另一些人认为，X射线是具有偏振性的横波，其主要支持者是英国物理学家巴克拉(C.Barkla)(见图4)。这场争论并未得到明确的结论，但还是在科学界产生了一定的影响。
图3布拉格(WilliamHenryBragg，-l)
图4巴克拉(CharlesGloverBarkla，~)
首先讨论X射线的粒子性。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。布拉格认为，X射线也一样，并由此解释了当时已知的各种X射线现象。
然后讨论X射线的波动性。年，英国物理学家巴克拉利用X射线经两个散射物的二次辐射强度的分布，证明X射线具有偏振性。图5给出了检验X射线偏振特性的实验示意图，当X射线以45°的入射角照射到第一散射体上，将会产生沿x方向出射的二次辐射X射线，该二次辐射的X射线再照射到第二散射体上时分别沿不同方向观察二次辐射的X射线强度，巴克拉发现，在z方向上观察到X射线最强，而在y方向上观察不到X射线，这就证明X射线具有偏振性。也就是说，X射线是电磁波，为横波，即振动方向与传播方向垂直。根据X射线的偏振性，说明X射线和普通光是类似的。巴克拉关于X射线的偏振实验和波动性观点可以说是后来劳厄发现X射线衍射的前奏。
图5X射线偏振实验示意图
要想确定X射线是否具有波动性，人们自然想到利用光学中的衍射光栅来观察X射线的衍射现象。可要想观察到X射线的衍射，则衍射光栅的光栅常数(即光栅上每个透光和不透光周期单元的长度)则需与X射线的波长在同样的数量级。当时最密的人工衍射光栅，仅适用于一般可见光线。由X射线的穿透力得知，若X射线是波，估计其波长要短得多——约为可见光波长的千分之一。从技术上讲，制作如此精细的光栅是完全不可能的。
大约在年1月底，德国物理学家索末菲(A.Sommerfeld，~)的一位学生厄瓦尔德(P.Ewald)在准备博士论文过程中，为研究光波在晶格中的行为而寻找数学处理方法时遇到了一些困难，为此他向劳厄(M.Laue)(见图6)请教。在他们的探讨中劳厄了解到晶体中原子间的距离很小，与可见光的波长相比大概只有波长的1/或1/。劳厄想到，虽然人工做不出这样细的光栅，但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。劳厄酝酿出一个实验：把晶体当作一个三维光栅，让一束X射线穿过，由于空间光栅的间距与X射线波长的估计值在数量级上近似，可期望观察到衍射谱。虽然劳厄的想法受到索末菲和维恩(W.Wien)等著名物理学家的怀疑，但是在索末菲的助手弗里德里希(W.Friedrich)和伦琴的博士研究生克尼平(P.Knipping)的支持和参与下，他们终于成功地观察到X射线透过硫酸铜后的衍射斑点。通过改进仪器设备数周后他们照出更为清晰的ZnS、PbS和NaCl等晶体的X射线衍射图(如图7所示)。
图6劳厄(MaxvonLaue，~)
图7ZnS晶体的X射线衍射图
在实验上观测到晶体的衍射花样之后，劳厄就面临着理论解释的问题。实际所要求的就是将物理光学中的一维光栅理论公式，推广到三维。
这里先讨论一维光栅，如图8所示，当光入射到光栅常数为a的一维光栅时，光将发生衍射。形成衍射极大(即亮条纹)的条件是光程差为波长的整数倍。由图8可知相邻衍射光线的光程差为距离为BCAD，由此可得一维光栅衍射的理论公式：
满足(1)的光将形成亮条纹，这些衍射光在整个空间形成如图8所示的圆锥。
图8一维光栅的衍射条件示意图
图9二维光栅的衍射锥面(a)及其衍射谱(b)
类推可得到二维光栅形成明亮条纹的条件：
如图9所示，此时形成亮斑的条件是两个满足公式(2)的那些圆锥面的交点(如图9(b)所示)。
再类推可得到三维光栅，此时形成明亮条纹的条件：
如图10所示，此时形成亮斑的条件是三个满足公式(3)的那些三个方向上圆锥面的交线。(3)式即为描述晶体X射线衍射的劳厄方程。式中a，b，c分别为三
维光栅在三个方向的间距，α、β、γ分别为X射线在三个方向的出射角。
图10三维光栅的衍射条件示意图
劳厄发现X射线衍射有两个重大意义。一方面是它表明了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)；另一方面是它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射线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重要条件。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。由于劳厄出色的发现，年他获得了诺贝尔物理学奖。
晶体衍射的研究
劳厄的研究结论引起了英国布拉格父子的鍖椾含鐧界櫆椋庡尰闄㈤偅涓ソ鐧芥鐤�庝箞娌荤枟濂?
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