玻璃器皿的贡品——伦琴发现X射线
这是一个围绕着玻璃器皿而发生的故事。
从人类早期探究电的奥秘时起,就与玻璃棒结下了不解之缘。电分为两大类,其中一类叫做“玻璃电”,即正电。赫赫有名的莱顿瓶其实质就是盛水的粗口玻璃瓶。随着玻璃器皿制作工艺的进步,玻璃工匠们可以制作各种各样的玻璃器皿,促进了人类对自然现象的认识。
早在18世纪上半叶,德国莱比锡学者约翰·海因里希·文克勒和其他研究者,用一架起电机,使抽去部分空气的玻璃瓶内部产生了辉光。他们记录下了这种发电现象,但没有予以深究。1836年,伟大的法拉第也注意到低压气体中的放电现象。他曾经想试验真空放电,但是,因为缺乏获得高真空的技术方法和手段而未能如愿。不久,德国波恩大学教授尤利乌斯·普吕克尔,提出了这样问题:当电在不同气压下通过空气和气体时,会发生什么现象呢?为了得出这一问题的正确答案,普吕克尔需要一些有关的试验设备和装置,首先需要玻璃管,并且在管的两端封入装上输入电流用的金属体,其次需要能把玻璃管内的压力减少到最低值的抽气泵。
普吕克尔找到波恩一个制作物理和化学仪器的作坊,他向作坊主说明了来意。
“盖斯勒,请过来一下,来见见普吕克尔先生!”作坊主喊过来一位中年技工。
静电感应现象的实验
“这位是敝店技艺最高的玻璃工,请你们先谈一谈技术细节,然后再签订订货协议。”作坊主又去忙别的事务了。
“我想订制一种两端封有金属电极,并且内部气体稀薄的玻璃管,你看不难办到吧?”普吕克尔谈了玻璃管规格、尺寸。
“封入金属电极不难,抽去空气也不难,不知你抽去空气达到什么程度?盖斯勒胸有成竹地回答他。
“这……当然是把管内的压力减小到最低值,最好是真空。真空,你懂吗?”
盖斯勒点了点头。盖斯勒不是一般的玻璃工匠,他从小学艺,当吹玻璃工以后,一直坚持夜校学习,掌握了科学常识,平时还爱发明些小玩意。
1850年,盖斯勒成功创制了稀薄气体放电用玻璃管,普吕克尔用它实现了低压放电发光。普吕克尔十分高兴地邀请盖斯勒参观他的实验。这时,普吕克尔和盖斯勒已经成为好朋友。细心的盖斯勒发现抽空的玻璃管放电发光的亮度不同,是与玻璃管抽成真空的程度有关系。
普吕克尔诚恳地对盖斯勒说:“要有真正的抽气机能够造成真空那该多好啊!多少物理学家期待着研究真空现象,没有真空抽气泵不行啊。”
言者有心,听者更有意。盖斯勒早就对传统的机械式抽气泵和流水式抽气泵不满意了。普吕克尔的一席话,使他下决心改造传统抽气泵,研制新的抽气泵。
一天,盖斯勒翻阅有关托里拆利用水银代替水,形成“托里拆利真空”的科学资料,读后极受启发。他想,流水式抽气泵改用流汞效果不是更好吗。盖斯勒不是那种想干什么就干什么的急性子,总要深思熟虑以后才肯动手。他首先找来有关抽气机的全部资料,然后翻阅大量关于水银的资料。他最后决定利用水银比水重13倍的比重差,来提高流水式抽气泵的性能。
不久,盖斯勒研制成功一种简单、可靠、实用的水银泵,用它几乎可以全部抽掉玻璃管中的空气。用水银泵抽成真空的低压放电管,使普吕克尔完成了对低压放电的研究。后人为了纪念这位吹玻璃工人,将低压放电管称为“盖斯勒管”。现代发光文字和霓虹灯广告就是以盖斯勒管为基础发展起来的。
普吕克尔利用盖斯勒管进行了一系列的低压放电实验,发现了阴极射线。他为盖斯勒管阴极管壁上出现的美丽绿色辉光所倾倒,加之盖斯勒的友谊,使他转向了研究盖斯勒管本身。
1868年,普吕克尔去世。他没有能够把实验进行到底,普吕克尔的学生接过了老师的工作。学生的名字叫约翰·希托夫。英国物理学家威廉·克鲁克斯也站到了继承普吕克尔事业的行列中。
希托夫和克鲁克斯两人的工作,主要是使盖斯勒管达到更高的真空度。他们分别独立地运用水银泵制成高真空放电管,后来人们称其为“希托夫-克鲁克斯管”。
希托夫研究了高真空放电产生射线的主要性质。“克鲁克斯管”的真空度高,放电时没有辉光。在管中,从阴极发射出的一种射线碰到玻璃管壁或者硫化锌等物质,会发出荧光。这种发光现象被称作“冷光”现象。这种从阴极发射出的能产生荧光的射线,被物理学家正式命名为“阴极射线”。
当这一研究成果公布以后,引起了整个物理学界的极大兴趣。“希托夫一克鲁克斯管”的出现,使科学家更方便、更深入地研究起阴极射线来了。
人们发现了阴极射线的一系列物理现象。正是由于“阴极射线”的发现,才导致了X射线、放射性和电子等一系列重要的发现。在研究阴极射线的人群中,德国物理学家威尔海姆·伦琴很快脱颖而出了。
伦琴,1845年3月27日生于德国普鲁士鲁尔地区的一个小镇——莱尼斯。他先后曾在3个国家的好几所大学里就读,后来从师库恩德门下。库恩德是著名的物理学家,伦琴随老师回到德国后,先后在国内六七所大学任教。从1888年起,他担任巴伐利亚州维尔茨堡大学物理研究所所长。在这个研究所工作期间,他发现了具有穿透力极强的X射线,从而名扬天下。
我喜欢离开人们通行的小路,而走荆棘丛生的崎岖山路。——伦琴
伦琴发现X射线以前,已经有一些人观察到这一现象,只不过没有引起足够的重视罢了。克鲁克斯曾多次发现放在阴极射线管附近的照相底片会感光,但是他只认为是偶然现象,没有给予重视。
克鲁克斯时代,照相术兴起时间不长,底片质量不佳,也就怪不得克鲁克斯的粗心。因为很多物理学家都碰到过这种现象,有人还把实验室照相底片异常感光叫做“走光”。不管怎么说,他们没有追究“走光”。
伦琴细心,独具慧眼,所以成了发现X射线的幸运者。
自从担任维尔茨堡大学物理所所长以后,他一直研究阴极射线。由于克鲁克斯管的高真空度,低压放电时没有辉光产生,那么随之而来的检测阴极射线是否存在的问题就被提出来了。1894年,一位德国物理学家进行了“克鲁克斯管”实验。他把阴极射线碰到管壁放出辉光的地方,用一块薄铝片代替原来的玻璃。结果,阴极射线管中发射出来的射线,穿透了薄铝片射到外边来了。这位物理学家用铂氰化钡(一种荧光物质)涂在玻璃板上,创造出了能够探测阴极射线的荧光板。当阴极射线碰到荧光板上时,荧光板就会在黑暗中放出耀眼的光亮。
伦琴的实验室
伦琴在重复上述实验时,发现了奇迹。他为了防止荧光板受偶尔出现的管内闪光的影响,用一张包裹相纸的黑纸,把管子包得严严实实。在黑暗中,伦琴打开阴极射线管的电源。当他把荧光板靠近阴极射线管上的铝片洞口时,顿时荧光板亮了。距离稍远一点,荧光板又不亮了。
结果,伦琴从中发现了阴极射线的一些新性质。原来,射出的阴极射线,只能在空气中跑很短距离,距离一远,就被空气吸收了。同时,伦琴看到,阴极射线只能穿过薄铝片,而不能穿过玻璃。
为了进行验证实验,伦琴把一个完整的梨形阴极射线管包裹好,打开开关,顿时出现了奇异的现象:尽管阴极射线管一点亮光也不露,但是放在远处的荧光板竟然亮了起来。伦琴十分惊奇,顺手拿起闪闪发亮的荧光板,一个完整手骨的影子突然魔术般地出现在荧光板上。伦琴额头上冷汗顿出,一时弄不清自己是在做实验,还是出现了幻觉。伦琴当然不会放过这个稍纵即逝的奇特发现,他立即开亮电灯,仔细检查后,又重新做起实验。奇妙的光线又被荧光板捕捉到了,他把手放到阴极射线管和荧光板之间,完整的手骨影子又出现在荧光板上。这是事实,从未见报道过的事实。伦琴激动得要晕过去了。他觉得身体软软地,已经不能再继续工作了。因为他过分兴奋了……
1896年伦琴首次拍摄到他妻子手的X线照片,其无名指上戴着一枚戒指。
第二天,伦琴结束重复验证无误的实验之后,集中精力思考了这一新发现的事实。伦琴想,它肯定不是阴极射线,因为它能穿透玻璃、遮光的黑纸和人的手掌,其能量是很大的。阴极射线不可能穿透玻璃。
为了验证它还能穿透哪些物质,伦琴几乎把手边能拿到的东西都拿来了做实验。他用木头、橡胶皮、厚纸板、金属片……一件件地依次放在射线管与荧光板之间,这种未知的神奇光线全把它们穿透了。最后,铅挡住了它的进攻,神奇的光停住了。伦琴还发现这种射线能使包在黑纸中的照相底片感光。
伦琴对神奇的光产生的现象了解得越来越多,但是对它产生的原因、性质又如何却知道得很少。伦琴感到这种神奇的射线对人类是一个未知领域,为了吸引更多的人们研究它,伦琴将他发现的神奇射线命名为“X射线”。
1895年12月28日,伦琴宣布了自己的发现和研究成果,并且出示了用X射线照出的手骨照片。
整个科学界为之震惊。随着莫尔斯电码的滴答声,伦琴的名字传遍了全世界。人们纷纷拿出实验室里的“希托夫-克鲁克斯管”,寻找X射线。“有了”,“发现了”,“成功了”。他们也分享了伦琴发现X射线时的欢乐。就在伦琴宣布发现X射线的第四天,一位美国医生就用X射线照相发现了伤员脚上的子弹。于是X射线成了神奇的医疗手段。
君子在下位则多谤,在上位则多誉;小人在下位则多誉,在上位则多谤。
——柳宗元
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