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伦琴射线的发现给我们的启示偶然之中的必然高 荷 洁摘要：伦琴对阴极射线研究发现了X射线，从而引发了物理学上的一场伟大变革，同时X射线在工农业、医疗等方面得以应用。综观这一伟大发现过程，给我们以深刻启示偶然之中的必然。1、引言19世纪末最具革命性的发现之一X射线，是由德国实验物理学家、首届诺贝尔物理学奖获得者伦琴在一次偶然事件中发现的，但被伦琴抓住的这一偶然机会却绝非偶然，是同他一惯的、严谨的科学态度、敏锐的观察力、扎扎实实的工作作风分不开的，是偶然之中的必然。2、X射线的发现过程1876年德国物理学家哥耳德斯坦（FGoldstenin1850-1931）在实验室中发现阴极射线后，英国物理学家克鲁克斯提出：阴极射线是非常小的粒子，而德国科学家却认为阴极射线是相似于光的辐射，但他们都没有确切的实验依据。 为了搞清楚阴极射线的性质，许多科学家对阴极射线进行了实验研究，克鲁克斯在射线途中放一个十字，射线在发挥光的玻璃管壁上投下了十字的阴影，磁铁移近时阴影就移动。这个实验表明，阴极射线和光线不同，它在磁场中会弯曲。赫兹用实验证明，“阴极射线不仅能通过细孔，而且能通过金属箔材料本身。”1892年，赫兹让他的助手勒纳德看了他刚发现的新现象并让勒纳德研究“阴极射线是物质中的现象还是以太中的现象”。勒纳德通过实验发现，阴极射线在空气中传播的距离是分米数量级。伦琴对阴极射线也产生了极大兴趣，他重做了赫兹和勒纳德等人的实验。实验证明了勒纳德关于阴极射线可以穿透几厘米空气的性质。1895年11月8日晚，当他进一步实验时，为了阻止紫外线、可见光的影响，并且又不使管内的可见光泄漏出管外，伦琴用黑色的硬纸板，把放电管严严密密地封好，当他在暗室里接通高压电源时，意外发现1以外的涂有亚铂氰化钡的荧光屏发出了荧光；而一断开电源，荧光就即刻消失。他把荧光屏逐渐移远，发现移到2左右，屏上仍有荧光出现。这一现象使他很惊讶，因为他明白阴极射线只能穿透几厘米空气，而绝不能使一二米外的荧光屏发光，而且阴极射线是不能透过玻璃管的，那么透过玻璃管使荧光屏发光的究竟是什么射线呢？ 作为一个真正的科学研究者，伦琴当时感兴趣的是新的、尚未经历过的东西。为了对这现象作出全面检验，并从中得到“完美无暇的结果”。他废寝忘食、夜以继日，在实验室里连续工作了6周，在经过反复实验之后，伦琴确信发现了一种尚未为人所知的新射线。由于当时新射线的本质还不太清楚，所以他把这种新射线称为“X射线”。 为了检验这种射线的穿透本领，伦琴选用多种物质，逐个放在放电管和荧光屏之间进行实验。他发现“一切物体对这种作用都是透明的，只是程度极为不同，纸是最透明的，在一本1000页的带封面的书的后面，我仍然清楚地看到了荧光，在两付纸牌的后面荧光可以看见，厚的木块也是透明的，二三厘米厚的松木（对射线的）吸收很少，15厘米厚的铝条使效应大为减弱，但并不能使荧光完全消失。”当伦琴进行铅的吸收能力试验时，无意中看到了自己拿铅片的手的骨骼轮廓，12月22日，在实验室里，伦琴请他的夫人把手放在用黑纸包严的照相底片上，然后用X射线照射，显影后得到一张清晰的人手骨骼像。 1895年12月28日，伦琴向维尔茨堡物理学医学协会作了题为一种新的射线初步报告的报告，宣布他发现了X射线，且阐述了这种射线具有直线传播、穿透力强、不随磁场偏转等性质。1896年3月，伦琴又发表了第二篇论文一种新的射线（续篇）。一年以后，发表了第三篇论文关于X射线性质的进一步观察，深入探讨了X射线的性质。 伦琴在他的论文中把这一新射线称X射线，因为他当时确实无法确定这一新射线的本质。直到1912年，他的同胞劳厄才从晶体衍射的新发现判定X射线是频率极高的电磁波。随后，莫塞莱证实它是由于原子中内层电子跃迁所发生的辐射。3、X射线发现的伟大意义X射线的发现，是科学史上一次重大革命，它展示了物理学尚有亟待探索的新领域，鼓舞人们去研究新现象，寻求新现象的科学解释，它对物理学及其它学科的进一步发展具有深远影响。（1）开拓研究新领域X射线的发现在科学界掀起一阵狂热，世界各国的实验室都在重复伦琴的工作，导致一系列的重大发现接踵而至。例如，对X射线的研究导致了天然放射性现象的发现，又吸引了居里夫人、维拉德、卢瑟福一大批有才能的研究者，他们的研究又引起了一系列新发现，新发现又激励人们不断进行理论探索。在一大批科学家的不懈努力下，最终建立了一门新的学科原子核物理学。（2）从诊断和治疗两个方面促进医学发展X射线是人类发现的第一种“穿透性射线”，它能穿透普通光线所不能穿透的许多材料，可用于拍摄人体不同部位的X照片，进行医学诊断分析，并出现了更先进技术，如“X射线断层图样技术（即CT）”；利用X射线对人体组织有一定破坏作用，治疗皮肤结核杆菌、痣等皮肤疾病，还可用于治疗人体深层组织的疾病，主要是对子宫癌进行发射疗法并获得一定成功。（3）在晶体结构确定和其它领域的应用1912年，劳厄根据X射线波长是和晶体相邻原子间距同一数量级的想法，提出X射线通过晶体就会发生衍射现象，后被实验证实，从而确定了晶体空间点阵的正确性。布拉格父子沿着劳厄所开辟的道路继续前进，他们从X射线在岩盐晶面上的反射现象中总结出著名的“布拉格公式”，而使用X射线研究晶体结构的工作向前推进了一大步。 另外在工业上可以用它来检查金属部件有无砂眼、裂纹等缺陷；X射线还可作为农作物及观赏植物育种的手段，也可应用于天文学、考古学研究等。4、偶然之中的必然尽管伦琴第一个公布了X射线的发现，并引起物理学的一场伟大变革，但他却不是第一个观察到X射线的。事实上，在伦琴之前已有多人以不同方式观察到X射线，却又因种种原因让这种神秘的射线从人们身边溜掉了。例如1880年德国哥尔茨坦注意到阴极射线管壁上会产生一种特殊的辐射使荧光屏发光，他错误地认为阴极射线是以太波动，未认真追寻光的原因，从而错失了首先发现X射线的机会。1887年以发明克鲁克斯管而著称的英国物理学家克鲁克斯，发现在放电管附近的照相底片有发黑的现象，但他却以底片质量不好为由将底片退还给厂家，从而使他悔恨终生。无独有偶，在英国牛津有一物理学家叫斯密士，发现了同样的问题，但也只是提醒助手把底片放到离放电管远点地方了事。三年之后，美国人克茨彼德在拍到了X射线照片后，不知是怎么回事，随手把照片仍到废纸堆里，JJ汤姆生，赫兹和勒纳德这样的物理学家同样没能抓住机会，勒纳德说：“我曾做过好几次观测。当时解释不了，准备留待以后研究。不幸没有及时开始。”不过，即使勒纳德及时研究，也难于作出正确结论，因为直到伦琴宣布X射线的发现以后，他还认为X射线不过是速度无限大的一种阴极射线，把两者混淆在一起。 以上众多事例说明，伦琴的发现不是偶然的，是科学给予伦琴的必然回报。法国科学家巴斯德说过：“在观察的领域里，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”确实如此，他想到过为了找到看不见的光谱线，使用亚铂氰化钡这种荧光屏，他明白阴极射线只能穿过几厘米的空气，而实验却使一二米外的荧光屏发光，伦琴确信这是本质上与阴极射线不同的观察能力，使他能迅速地高瞻远瞩地揭示出前人未予重视的现象。正如柏林科学院致伦琴的贺词中所说的那样：“科学史告诉我们，功劳和幸运独特地结合在一起；在这种情况下，许多外行人也许认为幸运是主要的因素，但是了解您的创作个性特点的人将会懂得，正是您，一位摆脱了一切成见的，把完善的实验艺术同最高的科学诚意和注意力结合起来的研究者，应当得到作出这一伟大发现的幸福。”参考文献： 1）郭奕玲、沈慧君，物理学史，第一版，清华大学出