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Sandbox Physics
X 射线:发现、特征辐射与精密谱

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Röntgen:影子能证明什么

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一块发亮的荧光屏,怎么成了新射线的证据?又有哪些问题没能回答?

  1. 黑纸板包住的放电管
  2. 放进路径的材料
  3. 荧光屏或照相底片
  4. 比较透射,试验磁偏转
四步只表示测量的先后,不是 Röntgen 当年的某次曝光;那支放电管也不能当作现代标定过的 X 射线源。

先看遮光实验,再看那张手骨照片

Röntgen 在 1895 年的报告里写道:放电管用黑纸板包住,旁边的铂氰化钡屏照样发亮。纸板挡住了管子发出的普通光,到达屏幕的一定是别的东西。他把各种材料放到这条路上,一次意外就变成了一组可以比较的实验。

手影之所以醒目,是因为骨头和周围组织削弱射线的程度不同。光凭这张影子,量不出波长,也说明不了射线怎么产生。实验发现在 1901 年颁奖之前,认定它是短波长电磁辐射则更晚。

来源:[1][2]

厚度相同,透过的未必一样多

同样厚的材料,透过的射线并不一样多。报告比较了叠起来的金属箔、几种金属,以及含铅量不同的玻璃;Röntgen 还指出,光看密度解释不了所有结果。这些比较比现代那句“密度大就显得暗”更有分量。

只要条件允许,他都用照相底片复核荧光屏上看到的现象。底片在曝光期间不断累积,荧光屏则能当场观察。两种响应都不一定与入射强度成正比;要比较数值,先得说明曝光、探测器响应和背景。

来源:[1]

磁铁试验区分了新射线与阴极射线

管内的阴极射线会被磁铁偏转,管外的新射线在 Röntgen 的试验里却没有类似的偏转。用磁铁拨动阴极射线,撞击点跟着移动,新射线看上去的发出位置也随之移动。这说明射线的产生与撞击区有关,却没有把射出的辐射当成打进去的电子。

报告还写了几次没有成功的折射和干涉试验,并猜测这种射线是以太中的纵波。这个猜想后来没有成立。原报告记下的是 Röntgen 当时看到什么、怎样论证,连同其中的不确定之处,并不是一份后来都成立的结论清单。

来源:[1]

现代指数衰减式需要额外假设

窄而单能的射线束穿过均匀吸收体,只要没有散射光子进入探测器,透射强度就随厚度按指数下降。式中厚度沿射线方向量,线性衰减系数的单位是长度的倒数。这是现代的解释模型,Röntgen 并没有用它拟合数据。

放电管发出的是宽谱,穿过材料后谱形会变,单一的等效衰减系数就可能随厚度变化;散射射线还会把阴影填亮。透视影像把整条路径上的削弱叠在一起,既不是深度图,也不是化学态能谱。

I(t)=I0exp⁡(−μt)I(t)=I_0\exp(-\mu t)

来源:[1][3]

先读报告,再看晶体实验

先读报告第 1–6 节的遮光和材料比较,再读第 10–12 节的磁场试验,每项比较都问一句:它对哪种竞争解释不利?Laue 与 Bragg 一文接着讨论后来提出的另一个问题:怎样用晶体探测波长和原子排列。

来源:[1]

来源与阅读说明

原报告依据 Barker 的英译本。文中的指数衰减式是现代教学模型,没有数字化任何历史底片,也没有拿它拟合。

  1. W. C. Röntgen, On a New Kind of Rays (1895), Barker translation (1899), §§1–17

    读的是 MIT 网站托管的原报告英译。页面上另附的现代评述和配图不是 Röntgen 原文。

  2. Nobel Foundation, Physics Prize 1901: award motivation

    读了可检索的官方获奖元数据:年份、获奖人和发现的归属。它不是实验报告。

  3. NIST, X-Ray Mass Attenuation Coefficients, section 2, equations 1–2

    核读窄单能束衰减式,以及几何厚度、质量厚度和线性/质量衰减系数的区别。用于现代解释公式,不当作 Röntgen 或 Barkla 的历史拟合。

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