x射线发展史

点击：0    发布时间：2016-05-25 14:06:20

    电子的发现过程，始于人们对气体放电的研究。

    当气体放电发生时，电子很容易脱离原子的束缚呈现许多新奇现象。它们引导科学家探寻隐藏其中的奥秘，从而找到电子；而应用电子的构想，则源于白炽灯的发明。

    白炽灯灼热的灯丝，不仅持续地发出明亮的光，而且源源不断地发射电子；这些电子在没有空气的环境里能够自由地飞行，借助电和磁的作用，人们可以控制它们的运动，这成为各类电子技术发明共同的基础。

    19世纪，电学发展至鼎盛时期，一些科学家出于兴趣开始研究稀薄气体的导电特性。

    这项实验在密封的玻璃管中进行：玻璃管两端分别嵌入一个金属电极，管中空气的大部分已被抽气机吸走；当两个电极之间加上电压时，玻璃管中就会出现明亮的辉光，当电流在电极之间流过时，稀薄的空气就变成了导体。明亮的辉光非常美丽，很像北半球高纬度地区出现的极光。如果改变玻璃管中气体的密度或成分，辉光的色彩与亮度就会发生变化。发现电磁感应现象的英国物理学家法拉弟也曾研究过辉光放电，他发现辉光柱上有一小段不发光区域，人们称之为“法拉弟暗区”。

    1858年，德国物理学家普吕克尔（1801—1868年）注意到，当放电管中空气非常稀薄时，辉光会变得越来越暗淡，光柱最终消失，只在玻璃容器内壁正对阴极的地方发出淡淡的绿色荧光。他在放电管的两个电极之间插入一个小小的挡板，荧光里便出现挡板的阴影，阴影的轮廓和挡板的外形完全一致。1876年，德国物理学家哥尔茨坦（1850—1930年）认为，这是一种从阴极发出来的射线，由于玻璃管中没有气体分子阻挡，它可以直接到达对面的容器内壁使其发光，因此，人们称之为“阴极射线”。

    科学家喜欢把那些从物体中发出具有确定物理、化学或生物学效应，然而又看不见的光称为“射线”。

    1871年，英国物理学家瓦尔利（1828—1883年）发现，阴极射线会在磁场中偏转，很像带电粒子；英国物理学家克鲁克斯（1832—1919年）发现，这种射线可以推动金属箔做成的小飞轮在真空中旋转；曾经发现电磁波的德国物理学家赫兹注意到，这种射线可以穿透很薄的金属片。赫兹的学生勒纳德（1862—1947年）还发现，真空中的阴极射线穿透0.000265厘米的铝箔后，还能在空气中继续穿行1厘米。德国科学家认为阴极射线是电磁波，而英国科学家则认为它是带电粒子。

    追踪阴极射线的时候，人们意外地发现了X光。

    1895年11月8日，德国物理学家伦琴（1845—1923年），在一次实验中将阴极射线放电管包上厚厚的黑纸，防止外部光线扰乱阴极射线。然而，他注意到在离射线管1米远的地方，有个氰化钡做成的荧光屏，这个荧光屏随阴极射线管的每次放电，一闪一闪地发光。伦琴把荧光屏挪至远处，它照样闪光；他又在阴极射线放电管和荧光屏之间放上书、木板和铝片，荧光屏还是闪光；只有在它们之间放上铅块或厚厚的铁板时，闪光才会消失。显然，阴极射线管中发出的是一种穿透力很强的射线，但不会是阴极射线。

    在实验室里，伦琴连续工作了6个星期，仔细地研究这种射线与加在放电管上电压的关系，研究各种物体对这种射线的吸收特性，以及射线在各个方向的强度分布。他将手掌放在阴极射线管和荧光屏之间，荧光屏清晰地显现出手掌的骨骼。这种射线还会使相片底片感光，他用感光胶片拍摄他夫人带有戒指的纤细的手，结果照片不再富有诗意，那上面的手指就像是骷髅的指骨套有一件不相干的金属圈。随后，他向外界公布了自己的研究结果，那张不可思议的照片尤其令世人大为震惊。

    伦琴把来历不明的这种射线称为“X射线”，因为在数学中人们习惯用“X”代表未知数。今天，人们知道“X射线”是发自阴极的电子在电场中加速后打在物体上突然减速辐射的电磁波。

    利用X光，人们能够看到身体内部的许多组织结构，发现骨骼的意外损伤和嵌入身体的金属弹片，从而，可以帮助医生诊断疾病。X光有着巨大的实用价值，然而伦琴没有为自己申请技术专利，他希望全世界的人都能够利用它，因而，X光技术迅速地普及至世界各地，有力地推进了医学进步。

    伦琴在1901年获得首次颁发的诺贝尔物理学奖，然而，他晚年仍然过着贫困的生活，并在德国大萧条的岁月中寂寞地死去。

    1897年，英国物理学家汤姆孙（1856—1940年），对阴极射线进行更加精确的实验研究。他继续改进真空泵，进一步提高放电管的真空度，发现了阴极射线在电场中的偏移现象。赫兹在1891年曾做过类似的实验，但由于真空度不高，在偏转电极之间发生了气体放电，不能产生使阴极射线偏转的力量，因而，导致赫兹对这种射线本质的误解。汤姆孙测量了阴极射线在磁场中的偏转半径，用热电偶测量出阴极射线打在阳极上产生的温度变化，从而计算出这种射线的速度比电磁波低得多。他用不同气体和不同材料制成的阴极做实验，但得到的结果完全相同。他确信，阴极射线是一种带负电的微粒，与气体成分或阴极材料无关，它存在于一切物质之中。

    1897年4月30日，汤姆孙向英国皇家学会报告自己的研究成果，这篇报告为阴极射线的本质做出了最终的科学论断。后来，汤姆孙用“电子”一词命名他所确认的这种带电微粒。从此，科学史家将人类发现电子的时间定为1897年。                                                        

     就在汤姆孙发现电子的1897年，德国发明家布劳恩（1850—1918年）完成了应用电子技术的第一件发明——利用电子束做成了世界上最轻便灵活的“笔”，这种奇妙的“笔”可以描绘稍纵即逝的电学现象：根据电子留下的踪迹，人们可以从容地观察电信号的变化过程。

     如果在抽成真空的阴极射线管里装上圆柱形空心电极，然后加上电压，那么，发自阴极的电子在穿过电极时受到静电力的约束，就会聚成细束；如果在电子束通过的路径安装两对相互垂直的金属平行板电极，其中一对电极使电子束跟随加在电极上的电压信号上下垂直运动，另一对电极使其左右水平运动，再在与阴极相对的玻璃管壁上均匀地涂敷一层矿物质细粉（例如硫化锌），那么，电子束打在上面就会产生黄绿色光斑，这种可以发光的涂层称为荧光屏。如果使电子束在水平方向作等速运动，荧光屏就会显现加在垂直偏转板上的电压随时间变化的过程，电子的这种工作方式被称为“扫描”。这项发明为科学家提供了其梦寐以求的对仪器观测的手段，使人们不必再凭想象研究电的变化过程而能够超越感觉器官的局限，直观地看到它们，这为后来电视、雷达和电子显微镜的发明，奠定了重要基础。

     布劳恩是一位具有深厚科学功底的发明家，他在德国柏林大学获博士学位后，同时从事德国3所大学的学术研究工作。1874年，他发现某些金属硫化物具有使电流单方向通过的特性。他利用它们做成了无线通信不可或缺的检波器，开创了人类研究半导体的先例。19世纪90年代，当他得知人们正在研究阴极射线时，又立即转向这一新领域，产生了使这种射线聚焦、扫描的构想。

    布劳恩在无线电通信技术领域也有很多重要的发明。他发明了磁耦合天线，使无线电发射机和接收机不必直接与天线相连，减少了雷击的危险，增大了通信距离，今天所有的收音机、电视机、电台和雷达都在使用它们。他还发明了定向天线，使电磁波按照人们的设想沿规定的方向传播，提高信号传输的效率，减少电磁波能量无谓消耗和通信系统之间的相互干扰。

    不幸的是，布劳恩这位杰出的发明家成了第一次世界大战的牺牲品。为解决一件关于无线电通信技术方面的专利纠纷，布劳恩于1917年到美国参加听证会，其间美国介入第一次世界大战，美国政府以“布劳恩是敌对国公民”为由逮捕了他。第二年，布劳恩死在狱中。                                                  

     1904年，美国发明家弗莱明（1849—1945年），通过在真空中利用电流加热灯丝的办法，轻而易举地获得逸出物体的自由电子，并用它做成了一种效率很高的无线电信号检波器——真空二极管。

     真空二极管中有一条灯丝和一个孤立的金属电极，这个电极被称为阳极。当灯丝加热时，如果在阳极加上正电压，电子就会在静电力作用下到达阳极，使电流通过；如果在阳极加上负电压，静电力将阻止电子运动，电子会滞留在灯丝周围，使电流中断。由于电子很轻，惯性很小，真空二极管可使频率很高的无线电信号被整流检波成为人们需要的信息。弗莱明用它替代无线电接收机里的金属粉末检波器和晶体检波器，使微弱的高频无线电信号能够还原成所传输的电码信息，无线电接收机的灵敏度显著提高。

    弗莱明的发明直接得益于爱迪生早年的发现。

    为了提高白炽灯寿命，爱迪生曾使用许多稀奇古怪的办法进行试验。1881年，他在灯丝旁边装上一个孤立的金属电极，当灯丝点亮时，这个电极上总会出现电流；他连续试验了两个星期，电流总不间断。爱迪生详细地记录了每一次试验的结果，认为是灯泡漏电，并且认为这个孤立的电极对提高灯丝寿命没有帮助，便停止了这项工作。

    实际上，爱迪生观测到的电流正是灯丝受热后发出的电子流，他应该是最早发现电子的人。由于爱迪生当时缺乏探究自然奥秘的兴趣，功利的追求使这位发明家只关注具有实用价值的事物，因而，错过了发现电子的机会。后来，人们把加热灯丝发射电子的现象称作“爱迪生效应”。

    1906年，另一位美国发明家福瑞斯特（1873—1961年），对真空二极管作出重大改进，发明了真空三极管，开辟了电子学发展的新途径 。

    福瑞斯特在真空二极管的灯丝和阳极之间，加装一个独立的金属栅网，称作控制极。如果改变栅网上的电压，便可控制到达阳极的电子数量。如果在栅网上加一个很小的电压信号，在阳极上便可得到与其变化规律完全相同、幅度大得很多的电信号，这种简单的器件可以使电信号增强。真空三极管是一种能量转换装置，就好像是电信号的加油站。这项看似简单的发明，翻开了电子技术发展史新的一页。

      自从1837年人类开始应用电传递信息以来，一个令人头痛的问题始终困扰着人们：电信号在传输的路径上会衰减，变得越来越小，以至最后消失得无影无踪，这限制了通信的距离。1876年，美国费城举办国际博览会，电报公司向全世界招标，寻求解决大西洋海底电缆电报信号传输衰减的技术方案，结果无人中标。福瑞斯特真空三极管的发明，使信号衰减不再成为问题，人们通过真空三极管很容易使衰减的电信号重新增大，通信质量明显改善，通信距离大幅度增加。从此，使用电信技术的客户迅速增多，电话、有线电报和无线电通信出现了新的发展高潮，电信号把世界更多的地方连结在一起。