【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。