新世纪接班人素质培养

第一章 新物理科学伦琴教授

话说 19 世纪末年，物理学的天空，猛然闪出了三道金色的闪电，照亮了正在世纪末的阴云下艰难跋涉的人们，人类的目光终于不再凝重。

这三道闪电就是： 1895 伦琴发现的 X 射线； 1896 年柏克勒尔发现的天然放射性；1897 年汤姆生发现的电子，正所谓一年一道闪电，道道辉煌灿烂。

以这著名的三大发现作为坚实的基础，人们又进一步研究发现了原子的可变性和大量化学同位素。

与此同时，人类认识也开始长驱直入到原子核内部。原子不可分的神话被毫不留情地打破，为现代电子技术这座摩天大楼夯下了厚重的基础。

这三大发现是科学技术从 19 世纪进入 20 世纪的隆隆礼炮，它庄严地宣告：科学技术新时代来到了。

而新物理学完全可以说是从 1895 年，德国的伦琴（ 1845~1923）教授发现 X 射线时开始的。

当然，在这之前，已经有无数的学者对气体中的放电投入了特别的关注， 并进行了大量的实验，尤其是法拉第、普吕克尔、盖斯勒、克鲁克斯和汤姆生爵士。

其实早在 18 世纪上半叶，德国的文克勒先生，就曾经用一架起电机，使在抽去了一部分空气的玻璃瓶里，因放电而产生了一种前所未见的光。令人遗憾的是，文克勒只是记录下了这种神秘的光，却没有能够深入持久地研究下去。

1836 年，卓越的法拉第先生也饶有兴致地注意到了低压气体中的神秘的放电现象。他并且还企图来试验一下真空放电。然而，由于无法获得高真空， 他的这一想法也只能流产。

接下来，历史的重任又落到了德国波恩大学的普吕克尔的肩上。

普吕克尔总是在思考着这样一个问题：当电在不同的大气压下，通过空气或者其他气体的时候，究竟会发生什么样的现象呢？

这个问题苦苦地折磨着他，无论醒里梦里，无论白日黑夜，普吕克尔决心搞清楚这个问题，不然，他会永无宁日的。

普吕克尔找到了优秀的玻璃工匠盖斯勒先生，因为要想找到问题的答案，得需要一个玻璃管，而且在管的两端封入装上输入电流用的金属体，并需要能把玻璃管内的压力减少到最低值的抽气泵。

盖斯勒先生没有辜负普吕克尔的殷殷厚望， 1850 年，成功地研制出稀薄气体放电用的玻璃管。普吕克尔真是激动万分，久久地握住盖斯勒的手不放，他打心眼里感激这位厚道的工匠。

利用这个玻璃管，普吕克尔实现了低压放电发光，再次捕捉到了那道神秘的电光，并把这种电光深深地铭刻在心。

科学的道路是没有尽头的。盖斯勒不无遗憾地发现，抽空的玻璃管放电发光的亮度不同，是同玻璃管抽成真空的程度有关系的。

而普吕克尔也多么地希望有一台真正的抽气机，从而创造出一段绝对的真空啊！

两人不谋而合。这对科学上的真正的朋友，再度携起手来，向着未知的世界一路求索而去。

在科学史上，托里拆利曾经用水银代替水，形成了“托里拆利真空”， 这对盖斯勒震动很大，他因此而设想，流水式抽气泵要是改用流汞，效果一定会更好一些的。

盖斯勒找来了有关抽气机和水银的大量资料，又经过无数次试验，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。

功夫不负有心人。无数次的失败之后，盖斯勒又无数次地站立起来，终于研制成功一种实用、简单而且可靠的水银泵，用这种泵几乎可以全部抽空玻璃管中的空气，人类制造真空的梦想终于成真。

用水银泵抽成真空的低压放电管，使普吕克尔先生完成了对低压放电现象的研究。后人为了纪念这位不同寻常的玻璃工人，就把低压放电管命名为“盖斯勒管”。

普吕克尔利用盖斯勒管进行了一系列的低压放电实验，他一次又一次地为盖斯勒管阴极管壁上所出现的美丽的绿色辉光而叹为观止。

1868 年，为科学事业贡献了毕生精力的普吕克尔先生，因劳累过度，心脏停止了跳动。死的时候，他的眼睛没有闭上，他没有完成他的事业。

为他送葬的他的学生约翰·希托夫看到此情此景，不禁泪如泉涌，他决心沿着老师没有走完的道路，继续走下去。

而与此同时，一位英国物理学家，叫做威廉·克鲁克斯的，也成了普吕克尔的这一未竟事业的继承者。

当他们把一只装有铂电极的玻璃管，用抽气机逐渐地抽空的时候，他们发现，管内的放电在性质上，经历了许多次的变化，最后在玻璃管壁上或者管内的其他固体上产生了磷光效应。

1869 年，希托夫经过反复的实验证明，置放在阴极与玻璃壁之间的障碍物，可以在玻璃壁上投射阴影。同时，从阴极发射出来的光线能够产生荧光， 当它碰到玻璃管壁或者硫化锌等物质的时候，这种光就更强。

1876 年，戈尔茨坦重复并证实了希托夫的实验结果，并且把这种从阴极发射出的能产生荧光的射线，正式命名为“阴极射线”。

克鲁克斯也提供了他所获得的证据，比如说，这些射线在磁场中发生偏转，这就说明它们是由阴极射出的荷电质点，因撞击而产生磷光。

人们还发现了阴极射线的一系列物理现象。

例如，1890 年，舒斯特观察了阴极射线在磁场中的偏转度，测量了这些假想质点的电荷与其质量的比率。他还假定这些质点的大小与原子一样，推测出气体离子的电荷远比液体离子大得多。

阴极射线的发现，犹如晴空里一声响亮的唿哨，引出了诸如 X 射线、放射性和电子等一系列重大的发现。

在对阴极射线情有独钟的人群中，德国的物理学家威尔海姆·伦琴很快取得了不同凡响的收获，并把自己的名字永远刻在了天地之间。

1845 年 3 月 27 日，在德国鲁尔地区一个人杰地灵的小镇——莱尼斯， 随着“哇”的一声啼哭，伦琴来到了人世间。

伦琴是个聪明而又勤奋的孩子，在读书期间，他就以优异的成绩而深受好评。

从 1888 年起，他从国外学成回国后，担任了巴伐利亚州维尔茨堡大学物

理研究所所长。正是在这个研究所期间，他独具慧眼，发现了具有极强穿透力的 X 射线，从而声名远播。

自从担任物理所所长之后，他就一直孜孜不倦地研究着阴极射线，无论遇到多大的挫折，他始终都没有放弃。

在研究过程中，伦琴发现，由于克鲁克斯管的高真空度，低压放电时没有荧光产生。

1894 年，一位德国物理学家改进了克鲁克斯管，他把阴极射线碰到管壁放出荧光的地方，用一块薄薄的铝片替换了原来的玻璃，结果，奇迹发生了， 从阴极射线管中发射出来的射线，穿透薄铝片，射到外边来了。

这位物理学家就是勒那德。勒那德还在阴极射线管的玻璃壁上打开一个薄铝窗口，出乎意料地把阴极射线引出了管外。

他接着又用一种荧光物质铂氰化钡涂在玻璃板上，从而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时，荧光板就会在茫茫黑夜中发出令人头晕目眩的光亮。

伦琴不止一次地重复了勒那德的实验。

1895 年 11 月 8 日晚，劳累了一天的伦琴刚刚躺上了床，正想美美地做个梦。突然，好像有一股神奇的清风吹入了伦琴的灵魂深处，他赶紧一骨碌跳下了床，又好似有一个无形的神灵，牵引着他，他走到了他所熟悉的仪器旁，再次重复了勒那德的实验。

命中注定，一项石破天惊的科学奇迹产生了。伦琴欣喜地发现，这种阴极射线能够使一米以外的荧光屏上出现闪光。

为了防止荧光板受偶尔出现的管内闪光的影响，伦琴用一张包相纸的黑纸，把整个管子里三层外三层地裹得严严实实。

在子夜时分，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的时候，顿时荧光板亮了，而距离稍微远一点，荧光板又不亮了。

伦琴还发现，前一段时间紧密封存的一张底片，尽管丝毫都没有暴露在光线下，但是因为他当时随手就把它放在放电管的附近，现在打开一看，底片已经变得灰黑，快要坏了。这说明管内发出某种能穿透底片封套的光线。伦琴发现，一个涂有磷光质的屏幕放在这种放电管附近时，即发亮光；

金属的厚片放在管与磷光屏中间时，即投射阴影；而比较轻的物质，如铝片或木片，平时不透光，在这种射线内投射的阴影却几乎看不见。

而它们所吸收的射线的数量大致和吸收体的厚度与密度成正比。同时， 真空管内的气体越少，射线的穿透性就越高。

为了获得更加完美的实验结果，伦琴又把一个完整的梨形阴极射线管包裹好，然后打开开关，然后他便看到了非常奇特现象：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调皮地亮了起来。

伦琴真是欣喜若狂，他顺手拿起闪闪发亮的荧光板，想吻它一下，突然， 一个完整手骨的影子鬼使神差般地出现在荧光板上。

伦琴顿时吓得不知所措，他不知这到底是在做梦，还是在做实验，他狠狠地在手上咬了一口，手被咬得生疼，他意识到自己不是在做梦，这一切都是真的。

伦琴赶紧开亮电灯，认真检查了一遍有关的仪器，又做起了这个实验。这时，天光已经微微发亮，在重重云层下，一轮美丽的红日，即将喷薄而出，

给整个人类带来她无穷无尽的光和热和爱。

伦琴没有时间去想别的东西。他看到，那道奇妙的光线又被荧光板捕捉到了。他又有意识地把手放到阴极射线管和荧光板之间，一副完整的手骨影子又出现在荧光板上。

伦琴终于明白，这种射线原来具有极强的穿透力和相当的硬度，可以使肌肉内的骨骼在磷光片或照片上投下阴影。

这是，伦琴的夫人走了过来，给伦琴披上了一件大衣，然后轻声地劝伦琴该去休息了。伦琴却一把抓住了夫人的手，放在荧光板和阴极射线管之间， 荧光板上又出现了夫人那完整的手骨影子。

这是事实，千真万确的事实。伦琴一下子抱住了夫人，在实验室里足足转了五个圈子，他太激动了，激动得不知如何是好，两行热泪止不住地流了下来⋯⋯

次日，伦琴便开始思考这一新发现的事实，他想，这很显然不是阴极射线，阴极射线无法穿透玻璃，这种射线却具有巨大的能量，它能穿透玻璃， 遮光的黑纸和人的手掌。

为了验证它还能穿透些什么样的物质，伦琴几乎把手边能够拿到的东西，如木片、橡胶皮、金属片等，都拿来做了实验。

他把这些东西一一放在射线管与荧光板之间，这种神奇的具有相当硬度的射线把它们全穿透了。伦琴又拿了一块铅板来，这种光线才停止了它前进的脚步。

然而，限于当时的条件，伦琴对这种射线所产生的原因及性质却知之甚少。但他在潜意识中意识到，这种射线对于人类来说，虽然是个未知的领域， 但是有可能具有非常大的利用价值。

为了鼓舞、鞭策更多的人们去继续关注它，研究它，了解它并利用它， 伦琴就把他所发现的这种具有无穷魅力的射线，叫做“X 射线”。

1895 年 12 月 28 日，伦琴把发现 X 射线的论文，和用 X 射线照出的手骨照片，一同送交维尔茨堡物理医学学会出版。

这件事，成了轰动一时的科学新闻。伦琴的论文和照片，在三个月内被连续翻印五次。大家共同分享着伦琴发现 X 射线的巨大欢乐。

X 射线的发现，给医学和物质结构的研究带来了新的希望，此后，产生了一系列的新发现和与这相联系的新技术。

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。从此，对于医学来说，X 射线就成了神奇的医疗手段。