【探索23-3】歪打正著看透你:從X射線與放射性物質的研究看物理研究的意外發現

從倫琴發現X射線、貝克勒發現放射性物質的過程,看見偉大物理現象發現背後的意外巧合如何作為推手,開啟物理學界研究的新典範。

講者|台灣大學物理系教授 蔣正偉
彙整撰文|葉珊瑀

19世紀末期,古典物理學已經相當成熟。樂觀看待,大至天體、小至原子的相關定律都已經被發現;悲觀待之,所有重要定律都已被發現,物理學家剩下的工作似乎只剩下微小發現。然而1895年開始的一連串新發現,開啟了近代物理的黃金十年⋯⋯

●與X射線錯過的學者們

威廉克魯克斯(Wiliam Crookes)發明了局部真空實驗性放電管(後稱克魯克斯管)。當時電子打在玻璃管上的螢光物質會發光,但其他性質並不清楚。如果管中電壓太高會產生過高能量的電子,進而熔化管壁。改良設備期間他存放在手邊的未曝光照相版常有模糊影像,正是克魯克斯管的影響,但他卻沒有察覺。

費南多桑福德(Fernando Sanford)向習得放電管相關知識後,在不知情下產生了X射線,稱之為電子攝影(electric photography),但缺乏進一步了解。

亞瑟古德皮斯(Arthur Goodspeed)、威廉詹寧斯(William Jennings)曾在克魯克斯管打開隔日,於放有兩枚硬幣的照相版沖洗出兩圈陰影,可惜沒有深究此現象。

菲利普勒納德(Philipp Lenard)在1888年曾觀測陰極射線,可惜當時真空度不夠,只產生軟X射線。1893年他改良設備(後稱勒納德管),發現能量更高的陰極射線能穿透薄鋁窗,引發硫化鈣磷光體的明亮螢光,經厚紙板阻擋仍可曝光照相版。但他沒有提出解釋,也沒有重複自己1888年的實驗。

●威廉倫琴與X射線

威廉倫琴(Wilhelm Conrad Rontgen)曾向勒納德請益其過往研究,複製其過往實驗再加以改良,終於在1895年11月8日看到陰極射線管開啟後的閃爍螢光。在接下來的六週,他浸淫於實驗中研究到透澈。12月22日,他產出了第一個「倫琴圖」,他請妻子Bertha Ludwig將手固定在感光板上方的射線路徑上15分鐘,成像紀錄了她的手骨和戴著的戒指的陰影。

1895年12月28日他本想透過擔任維爾茨堡身體醫學學會主席的好友Karl Lehmann不經會議宣讀投稿至醫學期刊,然而未果。1896年1月1日,他去信告知的所有認識的知名學者,消息一出,研究立刻大量應用在醫學。倫琴在1896年1月發表了第一篇X射線論文。於此一年內,關於X射線全世界總共發表至少49篇學術論文和1044篇文章。

●確認放射性之前

1850年代,涅普斯(Claude Felix Abel Niépce de Saint-Victor)觀察到即使在完全黑暗的情況下,某些鹽也可能使感光乳劑曝光,推測鈾鹽是原因,且發現鈾鹽暴露於陽光許久仍有曝光能力,他認為鈾鹽發出的輻射不太可能是磷光引起,但未認知到這是新物理現象。

愛德蒙貝克勒(Edmond Becquerel)是歐洲固體發光學的權威,他是在X射線成為學界風潮時,少數對鈾鹽有興趣者。他證明鈾系列(uranic series)鹽是磷光的,而含四價鈾系列(uranous series)鹽則否。其子亨利貝克勒(Henri Antoine Becquerel)受父親影響,使用銀版照相法(daguerreotype)研究化合物的磷光現象,發表諸多和磷光相關的論文,但沒有將放射性與磷光區分開來。

亨利貝克勒受到亨利龐加萊(Henri Poincare)假設「一個物體必須發螢光或磷光,才能發出穿透性的輻射」、涅普斯研究的啟示、螢光物質與穿透射線之間潛在可逆性等影響,著手進行相關研究。他將照相版包裹在不透光的黑紙上,放置礦物在板上,然後將之留在窗台上,讓礦物質受到陽光刺激而發光。有幾天陰天使他推遲實驗,後來他沖洗了原本收於抽屜中的照相版,發現陽光對直接刺激晶體無必要,足以佐證磷光與之無關。他在後續研究中終於確定鈾元素本身才是輻射源,但仍以光學解釋。

1897年開爾文爵士(Lord Kelvin)等人發表當時最優質的鈾射線研究,發現常壓下的洩漏電流(leakage current)隨著施加電壓的升高而上升,直到一飽和的臨界點,至此鈾的放電與電壓不成正比。但他們沒有給出解釋,沒有體認到飽和電流的重要,即使早有前人提到X射線會產生離子、電流會飽和的類似現象。

●山重水復疑無路:距離放射線的發現只差一點

亨利貝克勒等研究團隊窮盡對於放射性的探索,眼看就是山窮水盡,直到1898年初居禮等人的研究出爐,他才重新看見鈾輻射的重要。居禮系統性地對週期表其他活性輻射源進行搜查,並精確定量數據,他們發現了放射性元素釙、鐳,其中鐳的半衰期比鈾短得多,是更好的研究材料。終於在1903年,貝克勒與居禮夫婦因發現放射性而共同獲得諾貝爾物理獎。

威廉倫琴、亨利貝克勒都是從錯誤的出發點開始,陰錯陽差地被導向正確的方向,在本身實事求證的精神下,短時間內完成了研究,各自成為發現X射線、放射性的諾貝爾得主。倫琴即刻看出X射線的實用價值;貝克勒則是靠居禮夫婦放射性研究而有進展。這些一連串意外得出的物理研究,不只開啟了物理界的新紀元,X光片的醫療用途、放射線的癌症治療⋯⋯種種的新發明也讓許多人因此受惠。

 

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本文整理自:109/3/28由蔣正偉老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「親愛的,我看透你了」演講內容。

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