第四課 隆德大學名人榜——西格班與X射線
隆德名言
哲學家不懂政治家的話，經濟學家不懂哲學家的話，而他們誰也不懂政治家的話。
1886年12月3日生於瑞典南部的厄勒布魯城，由於他在物理學方麵的傑出貢獻，職位一直坐到瑞典皇家科學諾貝爾物理學研究所所長和諾貝爾基金會委員。
卡爾·西格班1906年中學畢業後，進入隆德(Lund)大學，並於1911年以"磁場測量"為題獲博士學位。
1907年至1911年在隆德大學物理研究所當著名光譜學家裏德伯的助教，1920年裏德伯去世後，接任物理學教授，1923年擔任烏普沙拉大學物理學教授，1937年任瑞典皇家科學院實驗物理學教授，同年瑞典皇家科學院諾貝爾研究所物理部成立，卡爾·西格班任第一屆主任。
卡爾·西格班於1964年退休，1978年9月26日逝世。他的兒子凱·西格班(Kai M.Siegbahn,1918—)也是著名的物理學家，並因在高分辨率電子能譜學所作的貢獻而獲得1981年的諾貝爾獎。
卡爾·西格班是繼巴克拉之後，又一次因X射線學的貢獻而獲諾貝爾物理學獎的物理學家。1895年倫琴發現X射線時，還沒有建立X射線譜的概念，也沒有任何實驗證據證明X射線具有一定的分布特性。
巴克拉第一次發現在一個實驗中，不管元素已化合成什麽化合物，它們總是發射一種硬度的X射線。這說明X射線具有標識特定元素的特性。當原子量增大時，標識X射線的穿透本領會隨著增大。也就是說，X射線變得越來越硬。當原子量很高時卻又出現一種軟得多的成分。這是一種特殊的標識輻射。
巴克拉發現這種新標識輻射的穿透本領也隨元素原子量的增大而增大。巴克拉把這兩種X輻射分別稱之為K輻射和L輻射，可以說，他已經開始進入X射線譜的範疇了。勞厄發現X射線衍射對說明X射線的波動性具有決定性的意義。
X射線既然是波，就可以像可見光一樣，用波長來表征不同成分的X射線。勞厄的發現不僅說明了X射線的特性和晶體點陣的真實性，還為科學提供了新的研究方法。這就是用晶體分析X射線。正是在這一基礎上，布拉格父子成功地解釋了X射線衍射圖像，並且設計出了有效的X射線光譜儀。
這一X射線光譜儀為研究X射線譜奠定了基礎。莫塞萊用布拉格X射線光譜儀研究不同元素的X射線，取得了重大成果。他從照相所得的各種元素的X射線輻射，證明K輻射是由兩條譜線組成，L輻射是由四條譜線組成。
莫塞萊把各種元素的X射線譜線排列在一起，發現了一個極其簡單的數學定律，根據這一定律，根據譜線位置決定的頻率和波長可從所謂的原子序數得到。原子序數把各種元素基本上按原子量遞增的順序排列成一個係列，可是卻比按原子量遞增排列得到更合理的順序。科學界公認莫塞萊應與巴克拉共享1917年諾貝爾物理學獎，可惜，莫塞萊於1915年不幸死在歐洲戰場上。
他們的工作被卡爾·西格班繼承和發展。卡爾·西格班發展了新的方法，設計了新儀器。他改進了真空泵的設計，特別是分子泵。他設計的X射線管，可使曝光時間大大縮短，從而使他的測量精度大為提高。因此他能夠對X射線譜係作出精確的分析，他首先驗證了巴克拉用吸收方法測出的K係和L係，同時他又發現了M係。
他測量波長的精確度比莫塞萊提高了1000倍。他證明了莫塞萊的K譜係一般都是雙線，他還在50種元素的X譜線中找到了28條L係譜線和24條M係譜線。卡爾·西格班的工作支持了玻爾等人把原子中電子按殼層排列的觀點。
卡爾·西格班和他的同事還從各種元素的標識X輻射整理出係統的規律，對原子的電子殼層的能量和輻射條件建立了完整的知識，同時也為與之有關的現象作出量子理論解釋建立了堅實的經驗基礎。
卡爾·西格班在他的《倫琴射線譜學》一書中對這方麵的成果作了全麵總結。該書的德文版於1923年出版，英文版於次年出版。這是一部經典的科學著作。卡爾·西格班的X射線譜儀測量精度非常之高，以至於30年後還一直在許多方麵得到應用。他利用兩個顯微鏡，架在精密的測角器對角線兩端，可讀到角度的十分之幾秒，整個光譜儀處於恒溫狀態。
X射線的研究方法
卡爾·西格班和他的學生們還創造了一種方法，可以根據X射線光譜分析確定未知材料的成分。這種方法是將未知材料在兩束X射線下曝光，從所得X射線光譜的分布可以確定從原子序數為11的鈉到原子序數為92的鈾之間的全部元素。
卡爾·西格班的早期工作是研究電磁問題。1914年開始，西格巴從對電磁學的研究轉向X射線光譜學。為此，他在隆德大學創建了著名的光譜學實驗室。
1921年，他設計了研究光譜用的真空分光鏡。他先把要分析鑒定的材料塗在X射線管的陽極板上作為靶標，再用陰極發出的電子去衝擊陽極板，使其受激發，發出標識X射線。然後，用他所發明的分光鏡來觀察X射線光譜，並用攝譜儀攝下光譜照片。
利用這種方法，他測量、分析並確定了92種元素的原子所發射的標識X射線。這些元素的X射線標識譜間的相對簡易性和緊密相似性使他確信這些輻射起源於原子內部而與外圍電子結構所支配的複雜光譜線及化學性質無關。他證明了巴克拉發現的K輻射與L輻射的確存在。
另外，他還發現了另一譜線係，即M係。西格班光譜儀的高度分辨率顯示了莫塞萊所發現的K譜線為雙線。他在L係中發現了28條譜線，在M係中發現了24條譜線。他的工作支持波爾等科學家關於原子內電子按照殼層排列的觀點。
從倫琴開始，人們一直試圖證明X射線是一種波長短的電磁輻射。1924年，西格班用棱鏡演示X射線的折射獲得成功，從而完成了這一曆史使命。1937年以後，卡爾·西格班領導的研究所致力於研究核物理問題。為此目的，1939年建造了一台可把氘核加速至5MeV～6MeV能量的回旋加速器。不久又改建成可使氘核加速到30MeV能量的更大的回旋加速器。除此之外，又建立了400000V的高壓發生器。
1962年此設備改建為1.5百萬V的發電站。為了研究不同放射性同位素的能量和輻射，在研究所裏還建造了一台電磁分離器，並設計和建造了用於不同目的的各種新型β譜儀。用這些技術設備和後來研究出來的一些恰當的方法，卡爾·西格班和他的同事們開展了一係列重要研究。
他們研究了不穩定原子核的輻射過程和不同類型的核反應，並且精確地測量了原子核的磁特性。卡爾·西格班和他的同事們還進行了其他項目的研究，例如建造了一台新型的電子顯微鏡和能自動工作的光柵刻線機(精度可達每毫米1800條線),這種光柵特別適合於X射線和遠紫外區。在他的研究所裏，一大群年輕的科學家，包括許多來自國外的，參加到了原子核及其放射特性的研究之中。
X射線的特點：X射線的特征是波長非常短，頻率很高，其波長約為(20～0.06)×10-8厘米之間。因此X射線必定是由於原子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的。所以X射線光譜是原子中最靠內層的電子躍遷時發出來的，而光學光譜則是外層的電子躍遷時發射出來的。X射線在電場磁場中不偏轉。這說明X射線是不帶電的粒子流，因此能產生幹涉、衍射現象。
X射線的分類，放出的X射線分為兩類：
(1)如果被靶阻擋的電子的能量，不越過一定限度時，隻發射連續光譜的輻射。這種輻射叫作軔致輻射，連續光譜的性質和靶材料無關。
(2)一種不連續的，它隻有幾條特殊的線狀光譜，這種發射線狀光譜的輻射叫作特征輻射，特征光譜和靶材料有關。
X射線的應用領域
X線機醫學上常用來作輔助檢查。臨**常用的x線檢查方法有透視和攝片兩種。透視較經濟、方便，並可隨意變動受檢部位作多方麵的觀察，但不能留下客觀的記錄，也不易分辨細節。
攝片能使受檢部位結構清晰地顯示於X線片上，並可作為客觀記錄長期保存，以便在需要時隨時加以研究或在複查時做比較。必要時還可作x線特殊檢查，如斷層攝影、記波攝影以及造影檢查等。選擇何種X線檢查方法，必須根據受檢查的具體情況，從解決疾病尤其是骨科疾病的要求和臨床需要而定。X線檢查僅是臨床輔助診斷方法之一。
X射線具有很強的穿透力，醫學上常用作透視檢查，工業中用來探傷。長期受X射線輻射對人體有傷害。X射線可激發熒光、使氣體電離、使感光乳膠感光，故X射線可用電離計、閃爍計數器和感光乳膠片等檢測。晶體的點陣結構對X射線可產生顯著的衍射作用，X射線衍射法已成為研究晶體結構、形貌和各種缺陷的重要手段。
卡爾·西格班的兒子凱·西格班(1918～)1981年分享物理學獎。獲得諾貝爾獎的機會本來就非常之小，但父子二人都曾接受過這項殊榮，凱·西格班是在1981年得的獎，其父卡爾·西格班則於1924年獲得。
在獲獎致辭中，凱·西格班說：“如果你每天從早飯時候起就開始討論物理學，那肯定是大有好處的。”顯然，凱跟他的父親學得很好，因為他們父子二人都是因為在光譜學上的成就而獲獎。光譜學是檢測粒子和測量其能量的一門學科。老西格班的獲獎是因為X射線光譜學的研究。
X射線的貢獻
這是了解原子結構的重要途徑。大家知道，X射線發自原子內部。莫塞萊確定的原子序數實際上代表了原子核內正電荷的單位數。K輻射和L輻射相當於玻爾原子理論中的兩種不同的躍遷。
K輻射比L輻射的波長短，說明K輻射包含的原子能量的變化比L輻射大。也就是說，發射一條K譜線時電子躍遷到比發射一條L譜線更靠近原子核的軌道上。這樣就可推斷，最靠近原子核的是K能級，它的外麵是L能級。
既然還觀測到了波長更長的M譜線和N譜線，可以判定在L能級之外還有M能級和N能級。卡爾·西格班精確測定了這些譜線實際上是由許多細線組成的，說明這些能級還可分為更精細的結構。這一切就成了人們研究原子結構的基礎。
可見，X射線光譜學為原子物理學提供的豐富資料具有何等重要的價值!卡爾·西格班為適應不同波長的測量精心改進X射線光譜儀、改進X射線管，發現標識譜中M和N線係做出了重要貢獻；精益求精、努力改進儀器裝置、善於學習是他成功的重要因素。
X射線的定義
X射線是波長介於紫外線和γ射線間的電磁輻射。X射線是一種波長很短的電磁輻射，其波長約為(20～0.06)×10-8厘米之間。由德國物理學家倫琴於1895年發現，故又稱倫琴射線。
倫琴射線具有很高的穿透本領，能透過許多對可見光不透明的物質，如墨紙、木料等。這種肉眼看不見的射線可以使很多固體材料發生可見的熒光，使照相底片感光以及空氣電離等效應，波長越短的X射線能量越大，叫作硬X射線，波長長的X射線能量較低，稱為軟X射線。波長小於0.1埃的稱超硬X射線，在0.1～1埃範圍內的稱硬X射線，1～10埃範圍內的稱軟X射線。
X射線的特征是波長非常短，頻率很高。因此X射線必定是由於原子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的。所以X射線光譜是原子中最靠內層的電子躍遷時發出來的，而光學光譜則是外層的電子躍遷時發射出來的。X射線在電場磁場中不偏轉。這說明X射線是不帶電的粒子流。
X射線(英語：X-ray),又被稱為愛克斯射線、倫琴射線或X光，
是一種波長範圍在0.01納米到10納米之間(對應頻率範圍30 PHz到30EHz)的電磁輻射形式。X射線最初用於醫學成像診斷和X射線結晶學。X射線也是遊離輻射等這一類對人體有危害的射線。
1906年，實驗證明X射線是波長很短的一種電磁波，因此能產生幹涉、衍射現象。X射線用來幫助人們進行醫學診斷和治療；用於工業上的非破壞性材料的檢查。
X射線是波長範圍在0.01納米到10納米之間(對應頻率範圍30PHz到30EHz)的電磁波，具波粒二象性。電磁波的能量以光子(波包)的形式傳遞。當X射線光子與原子撞擊，原子可以吸收其能量，原子中電子可躍遷至較高電子軌態，單一光子能量足夠高(大於其電子之電離能)時可以電離此原子。
一般來說，較大之原子有較大機會吸收X射線光子。人體軟組織由較細之原子組成，而骨頭含較多鈣離子，所以骨頭較軟組織吸引較多X射線。故此，X射線可以用作檢查人體結構。
X射線的發現
1895年11月8日晚，倫琴陷入了深深的沉思。他以前做過一次放電實驗，為了確保實驗的精確性，他事先用錫紙和硬紙板把各種實驗器材都包裹得嚴嚴實實，並且用一個沒有安裝鋁窗的陰極管讓陰極射線透出。
可是現在，他卻驚奇地發現，對著陰極射線發射的一塊塗有氰亞鉑酸鋇的屏幕(這個屏幕用於另外一個實驗)發出了光，而放電管旁邊這疊原本嚴密封閉的底片，現在也變成了灰黑色。這說明它們已經曝光了!
這個一般人很快就會忽略的現象，卻引起了倫琴的注意，使他產生了濃厚的興趣。他想：底片的變化，恰恰說明放電管放出了一種穿透力極強的新射線，它甚至能夠穿透裝底片的袋子。不過目前還不知道它是什麽射線，於是取名“X射線”。
於是，倫琴開始了對這種神秘的X射線的研究。他先把一個塗有磷光物質的屏幕放在放電管附近，結果發現屏幕馬上發出了亮光。接著，他嚐試著拿一些平時不透光的較輕物質比如書本、橡皮板和木板，放到放電管和激光器屏幕之間去擋那束看不見的神秘射線，可是誰S也不能把它擋住，在屏幕上幾乎看不到任何陰影，它甚至能夠輕而易舉地穿透15毫米厚的鋁板!直到他把一塊厚厚的金屬板放在放電管與屏幕之間，屏幕上才出現了金屬板的陰影。看來這種射線還是沒有能力穿透太厚的物質。實驗還發現，隻有鉛板和鉑板才能使屏不發光，當陰極管被接通時，放在旁邊的照相底片也被感光，即使用厚厚的黑紙將底片包起來也無濟於事。
接下來更為神奇的現象發生了!一天晚上，倫琴很晚也沒回家，他的妻子來實驗室看他。於是他的妻子便成了在照相底片上留下痕跡的第一人。當時倫琴要求他的妻子用手捂住照相底片。當顯影後，夫妻倆在底片上看見了手指骨頭和結婚戒指的影像。
1896年1月5日，在柏林物理學會會議上，展出了很多X射線的照片；同一天，維也納《新聞報》也報道了發現X光的消息。這一偉大的發現立即引起人們的極大關注，並很快傳遍全世界。在幾個月的時間裏，數百名科學家為此進行調查研究，一年之中就有上千篇關於X射線的論文問世。
倫琴雖然發現了X射線，但當時的人們——包括他本人在內，都不知道這種射線究竟是什麽東西。直到20世紀初，人們才知道X射線實質上是一種比光波更短的電磁波，它不僅在醫學中用途廣泛，成為人類戰勝許多疾病的有力武器，而且還為今後物理學的重大變革提供了重要的證據。正因為這些原因，在1901年諾貝爾獎的頒獎儀式上，倫琴成為世界上第一個榮獲諾貝爾獎物理獎的人。人們為了紀念倫琴，將X(未知數)射線命名為倫琴射線。
X射線的發展
X射線是19世紀末20世紀初物理學的三大發現(X射線1895年、放射線1896年、電子1897年)之一，這一發現標誌著現代物理學的產生。
自倫琴發現X射線後，許多物理學家都在積極地研究和探索。1905年和1909年，巴克拉曾先後發現X射線的偏振現象，但對X射線究竟是一種電磁波還是微粒輻射，仍不清楚。1912年德國物理學家勞厄發現了X射線通過晶體時產生衍射現象，證明了X射線的波動性和晶體內部結構的周期性，發表了《X射線的幹涉現象》一文。
勞厄的文章發表不久，就引起英國布拉格父子的關注。當時老布拉格(WH.Bragg)已是利茲大學的物理學教授，而小布拉格
(WL.Bragg)則剛從劍橋大學畢業，在卡文迪許實驗室。由於都是X射線微粒論者，兩人都試圖用X射線的微粒理論來解釋勞厄的照片，但他們的嚐試未能取得成功。年輕的小布拉格經過反複研究，成功地解釋了勞厄的實驗事實。
他以更簡潔的方式，清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成，並提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino。這一結果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性，更重要的是證明了能夠用X射線來獲取關於晶體結構的信息。
1912年11月，年僅22歲的小布拉格以《晶體對短波長電磁波衍射》為題向劍橋哲學學會報告了上述研究結果。老布拉格則於1913
年元月設計出第一台X射線分光計，並利用這台儀器，發現了特征X射線。小布拉格在用特征X射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結構之後，與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結構，並用勞厄法進行了驗證。
金剛石結構的測定完美地說明了化學家長期以來認為的碳原子的四個鍵按正四麵體形狀排列的結論。這對尚處於新生階段的X射線晶體學來說是一個非常重要的事件，它充分顯示了X射線衍射用於分析晶體結構的有效性，使其開始為物理學家和化學家普遍接受。
X射線的原理
當接通電源，按下啟動按鈕時，整機便開始工作。由主控器發出的脈衝信號，經功率放大，倍壓產生高壓給X射線管陽極，同樣主控Ⅱ發出的脈衝信號經放大給X射線管燈絲，使X射線管產生X射線，並通過數顯麵板顯示出相應的值KV/μA。此時被測物體放在X射線源與像增強器之間，像增強器的顯示屏就顯示出被透視物的清晰圖像。
為使儀器穩定可靠地工作，係統采用脈衝寬調技術，使管電流、管電壓保持恒定，X射線管以最佳狀態工作。並有高壓慢啟動功能，使X射線管陽極無高壓過衝現象。
主控製器采用微型貼片器件，並以20KHz頻率工作，使整個係統效率大為提高，消除了噪聲，為操作人員提供了安靜的使用環境，同時也縮小了體積。透視儀電源采用高頻高效率開關電源，並具有全麵的保護措施。為確保透視儀的安全，整機加有多種保護裝置，使其安全可靠。
X射線的產生方法
原理解析：產生X射線的最簡單方法是用加速後的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成X光光譜的連續部分，稱之為製動輻射。通過加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的芯電子撞出。於是內層形成空穴，外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出波長在0.1納米左右的光子。由於外層電子躍遷放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長也集中在某些部分，形成了X光譜中的特征線，此稱為特性輻射。
實驗生成：實驗室中X射線由X射線管產生。X射線管是具有陰極和陽極的真空管，陰極用鎢絲製成，通電後可發射熱電子，陽極(就稱靶極)用高熔點金屬製成(一般用鎢，用於晶體結構分析的X射線管還可用鐵、銅、鎳等材料)。用幾萬伏至幾十萬伏的高壓加速電子，電子束轟擊靶極，X射線從靶極發出。電子轟擊靶極時會產生高溫，故靶極必須用水冷卻，有時還將靶極設計成轉動式的。
此外，高強度的X射線亦可由同步加速器或自由電子激光產生。同步輻射光源，具有高強度、連續波長、光束準直、極小的光束截麵積並具有時間脈波性與偏振性，因而成為科學研究最佳之X光光源。
探測器：X射線的探測可基於多種方法。最普通的一種方法叫作照相底板法，這種方法在醫院裏經常使用。將一片照相底片放置於人體後，X射線穿過人體內軟組織(皮膚及器官)後會照射到底片，令這些部位於底片經顯影後保留黑色；X射線無法穿過人體內的硬組織，如骨或其他被注射含鋇或碘的物質，底片於顯影後會顯示成白色。
光激影像板因子位化容易，在少部分醫院已以之取代傳統底片。另一方法是利用X光照在特定材質上所產生的熒光，例如碘化鈉(NaI)。科學研究上，除了使用X光CCD,也利用X光遊離氣體的特性，使用氣體遊離腔作為X光強度之偵測。這些方法隻能顯示出X射線的光子密度，但無法顯示出X射線的光子能量。
X光光子的能量通常以晶體使X光衍射再依布拉格定律(Bragg's law)決定。目前普遍認為人眼是看不見X光的，而且幾乎所有的X光的使用者都認為這是事實。然而嚴格地說，這實際上是不正確的。在特殊的情況下，肉眼實際上是可以看見X光的。
X射線的特征
頻率值高：X射線的特征是波長非常短，頻率很高，其波長約為(20～0.06)×10-8厘米之間。因此X射線必定是由於原子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的。所以X射線光譜是原子中最靠內層的電子躍遷時發出來的，而光學光譜則是外層的電子躍遷時發射出來的。X射線在電場磁場中不偏轉。這說明X射線是不帶電的粒子流，因此能產生幹涉、衍射現象。
輻射同步：X射線譜由連續譜和標識譜兩部分組成，標識譜重疊在連續譜背景上，連續譜是由於高速電子受靶極阻擋而產生的軔致輻射，其短波極限λ0由加速電壓V決定：λ0=hc/(ev)h為普朗克常數，e為電子電量，c為真空中的光速。標識譜是由一係列線狀譜組成，它們是因靶元素芯電子的躍遷而產生，每種元素各有一套特定的標識譜，反映了原子殼層結構。同步輻射源可產生高強度的連續譜X射線，現已成為重要的X射線源。
X射線具有很高的穿透本領，能透過許多對可見光不透明的物質，如墨紙、木料等。這種肉眼看不見的射線，可以使很多固體材料發生可見的熒光，使照相底片感光以及空氣電離等，波長越短的X射線能量越大，叫作硬X射線，波長長的X射線能量較低，稱為軟X射線。當在真空中，高速運動的電子轟擊金屬靶時，靶就放出X射線，這就是X射線管的結構原理。
X射線的分類
輻射分類：如果被靶阻擋的電子的能量，不越過一定限度時，隻發射連續光譜的輻射，這種輻射叫作軔致輻射。連續光譜的性質和靶材料無關。
一種不連續的，它隻有幾條特殊的線狀光譜，這種發射線狀光譜的輻射叫作特征輻射。特征光譜和靶材料有關。
波長分類：X射線波長略大於0.5mm的被稱作軟X射線。波長短於0.1納米的叫作硬X射線。硬X射線與波長長的(低能量)伽馬射線範圍重疊，二者的區別在於輻射源，而不是波長。X射線光子產生於高能電子加速，伽馬射線則來源於原子核衰變。
X射線的硬化：當X射線通過一定物質時，能量較低的X射線衰減係數較大，X射線平均能量增加，硬度增加，成為X射線硬化。
劑量標準：在研究高溫等離子體過程中，無論是在慣性約束聚變，磁約束聚變還是在天體物理領域，都需要確切地了解高溫等離子體的各種參數，如電子溫度、電子密度、X射線的能譜，時間譜和時空分布，因此要對探測器及接收記錄係統做精確標定，那麽就需要合理地選取相應的X射線劑量標準。一般說來，在10KeV~30KeV能區，要用自由空氣電離室，在1KeV~10KeV能區，選用充Xe(或p-10)氣體平行平板電離室，Ex