物理群星
威廉·伦琴 肖像

图:佚名,约 1900(公有领域)

威廉·伦琴

Wilhelm Conrad Röntgen

1845–1923 · 生于普鲁士莱内普 · 德国

电磁学光学

拍下妻子的手骨,人类第一次看见活人的身体内部

诺贝尔物理学奖 1901 发现以他命名的射线所作出的非凡贡献

「我没有思考,我做实验。」

—— 被问及发现 X 射线时在想什么,据同时代人转述

1895 年 11 月 8 日晚,维尔茨堡大学的一间暗室里,伦琴在给阴极射线管做例行实验。管子被黑纸严密包住,房间全黑。可他注意到工作台另一头有东西在发微光——一块涂了铂氰化钡的荧光屏。

黑纸挡不住的东西从管子里跑出来,穿过了将近两米的空气。

六个星期的独处

伦琴没有立刻告诉任何人。此后六个星期,他几乎住在实验室里,饭都让人送进去。他把各种东西挡在管子与荧光屏之间:纸、木头、书、铝片、铅片。铅挡得住,别的大多挡不住。

某次他把手伸进射线里,看见屏上出现了自己手骨的影子。

12 月 22 日,他请妻子贝尔塔把手放在底片上,曝光十五分钟。冲洗出来的照片上,指骨清清楚楚,无名指上那枚戒指悬在骨头周围。据说贝尔塔看到后说了一句:我看见了自己的死亡。

这是人类第一次看见活人身体的内部。

六个星期到全世界

12 月 28 日,他把论文《一种新的射线》交给维尔茨堡物理医学学会,同时把那张手骨照片寄给欧洲各地的同行。他自己也不知道这射线是什么,于是用数学里表示未知数的符号给它命名:X。

1896 年 1 月 5 日,维也纳的报纸登出消息。接下来的几个星期是科学史上传播最快的一次:到 1 月底,全欧洲和美国的医院都在用它找子弹和骨折;一年之内,关于 X 射线的论文发表了上千篇。

伦琴拒绝为它申请任何专利。他的理由是,这项发现属于全人类,不该有人靠它收钱。

三个诺贝尔奖的连锁

X 射线还引发了一连串更深的发现。

贝克勒尔想知道会发荧光的物质是不是也放出 X 射线,于是把铀盐和底片包在一起——结果发现铀根本不需要阳光激发也能让底片感光,那是放射性。居里夫妇顺着这条线找到了钋和镭。卢瑟福用放射性元素放出的 α 粒子去轰击金箔,找到了原子核。

1901 年伦琴获得第一届诺贝尔物理学奖。他把全部奖金捐给了维尔茨堡大学。一战后的恶性通货膨胀吞掉了他的积蓄,1923 年他去世时近乎一贫如洗。

今天

X 射线至今是医学影像的主力:胸片、CT、乳腺钼靶、牙科全景片。机场安检看的是它,工厂检查焊缝裂纹用的是它。

而在物理与生物学里,它走了另一条路。X 射线的波长恰好与原子间距同量级,因此会被晶体衍射——1912 年劳厄证实了这一点,此后布拉格父子把衍射图样反解成原子的排列。1953 年,富兰克林拍下的一张 DNA X 射线衍射照片(第 51 号),让沃森与克里克看出了双螺旋。

一个人在暗室里注意到一块本不该发光的屏,一百三十年后,医院、机场、半导体厂和结构生物学实验室都还在用他那晚看见的东西。

代表方程

X 射线的波长

λ≈10−10 m\lambda \approx 10^{-10}\ \mathrm{m}

约为可见光的万分之一,恰好与原子间距同量级。正因如此,它既能穿过软组织,又能被晶体衍射——医学影像与晶体结构分析都从这个数量级来。

吸收定律

I=I0 e−μxI = I_0\,e^{-\mu x}

射线穿过物质时按指数衰减,衰减系数 μ 随原子序数急剧上升。骨头里的钙比软组织重得多,所以在底片上留下白影——X 光片的全部原理就是这一条。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.伦琴《一种新的射线》,维尔茨堡物理医学学会会刊(1895 年 12 月 28 日)——首次报告
  2. 2.伦琴《一种新的射线》英译,《自然》第 53 卷第 274 页(1896 年 1 月 23 日)
  3. 3.诺贝尔奖官方资料页:威廉·伦琴,1901 年首届物理学奖