【水煮物理】:X先生自传


爱未知,不爱无知。爱穿透,也爱相干衍射。爱缤纷斑点,更爱多姿底片。不是微波,不是可见光,也不是粒子流,我是X先生。我没什么强大,我很强大。我和X战警不一样,我和你一样,请叫我X-Ray。哦,对的!X,代表未知数的X,因为X=?意味着一个有无限未知解的方程;X,代表神秘莫测的X,一群有着金刚刀、风暴眼、移形换影术等强大特异功能的变种人——X战警,潜伏在正常人的身边。我,就是潜伏在自然界中的X。我在哪里,清晰的视界就在哪里。你看不见我,但我可以透视你。甚至,在你毫无知觉情况下轻松穿过你的身体。我,就是神秘的X射线。

我的家族叫做电磁波,我们靠电磁场交互感应传播能量,即使在什么也没有的真空,也可以光速畅行无阻。你看不见我,是因为相比我的可见光兄弟而言,我的波长要短的多。他们(可见光)波长一般在0.4~0.7微米(1微米=千分之一米)之间,而我(X射线)在0.01~1纳米(1纳米=十亿分之一米)之内。如果波长在0.1~1纳米,请叫我软X射线;如果波长在0.01~0.1纳米,请叫我硬X射线;如果波长小于0.01纳米,那我就是超硬X射线;波长再短一点的话,那是我的弟弟伽马射线(来自于原子核衰变),另一头波长长一点点的楼下是哥哥紫外线。我们都属于辐射,但我很特别。我的特别在于我的波长很短,短到了原子量级,为此我可以看到原子们是如何排列组合在一起的;我的特别还在于我的能量也很高,因此我穿透本领很强,黑纸、木料和布料都不能阻挡我的前行。好在我的能量不是特别之高,我可以“透视”有机生命体而不损害他们,虽然被我照射太久容易患上癌症,但我同样也可以杀死恶性肿瘤治疗癌症,我是把双刃剑。我诞生于原子内层,内层电子跃迁释放出的能量就是射线形式的我,高能量、短波长的我。我不带电,我是波,我可以衍射也可以干涉,我是纯辐射。

我存在宇宙中已经很多年,但被人类认识却仅有百余年。克鲁克斯、赫兹、特斯拉、爱迪生、劳厄、伦琴等等物理学家都研究过我。起初,在加上电压的真空管里阴极端希托夫看到过我把玻璃管壁弄出了荧光,于是人们叫我“阴极射线”(其实我走的是中性路线,喜欢阴柔的家伙是电子,不是我)。克鲁克斯发明了有高压电极的玻璃真空管,也看到了被我感光的照片底片。遗憾的是,他对我没有兴趣,没有继续研究下去。特斯拉摆弄克鲁克斯管的 时候,看到了我的连续体——高速电子受靶极阻挡而产生连续辐射,又叫做轫致辐射。可恨的是,他忘了给我取个名字,还提醒人们我对人体有伤害。赫兹在验证电磁波存在的实验中,也曾发现我有能力穿过金属箔,不过他更喜欢笼统叫我们电磁波。终于到了1895年,属于我的时代来临了。威廉•康拉德•伦琴,我的发现者和命名者,忘我地在一个寂静的周五夜晚工作。他惊讶地发现,所谓的“阴极射线”可以让有氰亚铂酸钡涂层的屏幕发光,而包裹严实的照相底片也被该射线穿透致曝光了。这种强大的穿透能力那怕是面对15毫米厚的铝板也不在话下,只有铅板和铂板才能阻挡。伦琴的妻子安娜•伦琴见丈夫深夜还在工作,于是过来看他。伦琴给妻子变了个魔术,他让安娜按住照相底片用这种未知的射线拍了第一张人体照片。底片上显影出来的是手掌里的骨头,还有象征他们爱情的结婚戒指。这意味着,不需要通过解剖就可以清楚地看到人体内部的结构,从此医生多了一副强大的眼镜,可以透过皮肉看到骨骼看到体内是否有病变。伦琴兴奋地把这种“未知”射线命名为“X射线”,因为X代表未知数。从此,我有了名字,我的名字含义是“未知”。1895年12月,伦琴在Physical-Medical Society 杂志上发表了第一篇关于X射线的论文。之后,引发了科学界对射线研究的一轮热潮,在短短一年里发表的关于X射线研究的论文就有一千多篇。其中有一位叫贝克勒尔的家伙,发现了更多的射线,我的兄弟阿尔法射线、伽马射线和贝塔射线们相继被人们所认识。而居里夫人和他的丈夫从自然界提取了镭和钋,发现了天然放射性。以此为基础,卢瑟福用加速粒子轰击原子,发现了原子内部的结构,用新的理念打开了人们对微观世界研究的大门。这些人,都是诺贝尔奖获得者,不愧为顶尖的物理学家。而伦琴,我的发现者,是第一届(1901年)诺贝尔物理学奖。他有些很低调,有人非要改称我为“伦琴射线”,也有人要出高价购买X射线技术应用于医学(仅在X射线发现后四天,美国医生就用它找到了病人腿上的子弹),然而伦琴却淡淡一笑道:“我的发现属于全人类。”伦琴拒绝了巴伐利亚贵族院给他的贵族称号,也全额捐出了诺贝尔奖金,没有去申请X射线的专利权。爱迪生为此深受感动,他的发明工厂配合X射线接受发明了一种极好的荧光屏,使得X射线技术更为廉价和方便,这项发明爱迪生也没有申请专利权。此外,在发现我的光芒之下,伦琴还有许多重要的物理研究工作,如对电介质在充电的电容器中运动时的磁效应、气体的比热容、晶体的导热性、热释电和压电现象、光的偏振面在气体中的旋转、光与电的 关系、物质的弹性、毛细现象等。1923年 2月10日,伦琴在慕尼黑去世,他为全人类留下了一笔无尽的财富。

要制造我并不难。你需要一个真空密封的玻璃管,一端是灯丝状的阳极,一端是平板金属做的阴极。两端加上高电压,就会发生高速电子撞击到金属平板靶上。电子能量足够高就可以把金属内部的电子打出来而在原子内层轨道留下空穴,外层电子跃迁回到内层填补空穴的同时就会放出辐射——也就是X射线我。由于高速电子撞击金属靶会发热,所以金属靶一端需要用水来冷却。早期的X射线管体积较大也容易碎,现代的X射线管已经精简到一根圆珠笔的长度了。入射电子能量较低时,可以产生与靶材无光的连续光谱X射线辐射——轫致辐射,而不同内层电子跃迁产生的离散辐射谱则重叠在连续谱背景上形成特征辐射——X射线标识谱。每个元素都有独特电子排布方式,因此也具有独特的一套X射线标识谱,通过测量靶材的标识谱就可以得到靶材含有元素的信息。现代的X射线仪器中的光源已经大大改进,功率也大为提高。根据麦克斯韦方程组可以推出,自由电子在高速运动过程中若改变运动方向则会同时辐射电磁波,这类在同步加速器上发现的辐射被称为同步辐射。同步辐射光源具有强度高、连续性好、光束准直好、光束截面积极小并具有时间脉波性与偏振性等诸多优势,是目前光谱学研究的最佳光源之一,X射线也属于这类光源其中一小段波长区间。中国在上海也建设了居于世界先进水平的同步辐射光源——上海光源,目前一些束线站已经投入使用。

自从我被人类发现以来就备受关注,然而我的用武之地不仅仅限于拍摄“透视”的X光片。真正将我的功用发扬光大的科学家,是劳厄和布拉格父子。德国科学家劳厄先后就读于斯特拉斯堡、格丁根、慕尼黑和柏林等几所大学,聆听过诸如希尔伯特和普朗克等大师的课程。在慕尼黑大学,劳厄和索莫菲的学生开展了关于X射线的研究。因为X射线能够用于拍摄木头里的钉子或是手掌里的骨头,许多科学家认为我应该属于一种特殊的光线,也就波的一种。但要证明我的波动性,就必须有衍射和干涉等性质,由于我的波长只是可见光的千分之一,要靠人工制作相当于如此尺寸的光栅是不可能的。聪明过人的劳厄意识到,自然界中晶体内部原子就是规则排列的,如果晶体中原子间隙合适,就可以作为X射线的光栅。只是因为晶体里存在许多层原子,等同于许多层光栅的叠加,这将使得衍射的图样非常复杂。尽管这个想法受到老板索莫菲的嘲笑,但劳厄他们还是在1912年成功做了这个实验。他们将垂直于晶轴切割的硫化锌平行晶片放在 X射线源和照相底片之间,果然发现照相底片上出现规则排列的衍射斑点。这项伟大的发现证实了我的波动性,同时提供了一种更为强大的实验工具——利用固定波长的X射线可以探测晶体内部原子排布情况,人们从此可以“看到”晶体中原子的排列。不过要从复杂的晶体衍射斑点推演出晶体内部结构却不是件容易的事情。亨利•布拉格(父)和劳伦斯•布拉格(子)为此做出数学上的精巧推导,他们发现如果把有序排布的原子层当做光栅,那么不同原子层之间的入射和反射的光程差就会和原子层的间距直接相关,当光程差为入射波的整数倍时,出射光就不会因干涉而被消光从而形成衍射斑点。据此他们推导出了布拉格方程2dsinθ=nλ。利用这么简洁的一个数学模型工具,布拉格父子从已有的氯化钠的晶体结构模型——面心立方型栅格离子晶体完美解释了X射线衍射斑点的分布。在氯化钠晶体中,每个钠离子被六个等距离的氯离子包围,每个氯离子被六个等距离的钠离子包围,而不存在单独的氯化钠“分子”。这一发现震惊了理论化学界,并立即引起了人们对岩盐在溶液中行为的思考。他们随后又解出了金刚石的结构是碳原子组成的正四面体构成。进一步的实验证实,晶体的X射线衍射花样与晶体中原子的空间排布互为傅里叶变换关系。劳厄和布拉格父子对X射线的研究诞生了一门新的技术——X射线衍射技术,它使得材料内部的原子排布不再神秘——所有的材料在我的强大照射下,都是可以“看穿”的。1915年,劳厄、老布拉格和小布拉格一起站到了诺贝尔物理学奖的领奖台上,分享这一伟大的殊荣。

说完了我的历史故事,该说说我的强大能力是什么了。
能力一:晶体结构分析。我的波长在0.01~1纳米之间,这正好相当于原子的大小以及固体中原子的间距。我的波长和电子的波长相当,不同的是,电子具有静止质量而我没有。那么当我入射到固体材料中是,里面的大量电子将把我散射出来,每个原子里的电子对我的散射形成叠加就相当于原子对我的散射,而每层规则排列的原子对我的散射叠加就相当于原子平面对我的反射。根据布拉格方程,对于特定波长的入射光,只会在某些角度有特定的出射光,这些角度对应着不同特征原子层间距,通过标示出这些原子层就可以推导出晶体中可能的原子排列方式。对于单晶材料(固体的内部原子在三维空间具有同一周期性规则的长程有序排列,即整个三维空间点阵为一套空间格子),我可以在底片上留下规则的衍射斑点,采用傅里叶变换就可以得到原子的排列方式。改换不同的入射和出射方向,就可以得知晶体内部原子的三维空间排布方式;对于多晶材料(由诸多取向不同的小颗粒单晶组成),则可以测量不同衍射角下出射峰并推断其属于哪个原子层,不同的材料将有自己独特的一套衍射峰分布。如果建立一套多晶衍射数据库,里面有各种晶体结构的标准衍射数据,那么通过核对就可以轻松推断出晶体中的原子排布结构。这套衍射数据库现在被称为“粉末X射线衍射卡片库”(PCPDF软件),是材料学研究中最重要的数据库之一。如DNA复杂的双螺旋结构,正是通过X射线衍射研究清楚的。

能力二:元素成分分析。X射线管内靶材可以发射和靶材料有关的一系列特征谱——X射线标识谱,不同的元素具有各自独特的核外电子排布,因此就会有一系列独特的X射线标识谱。如果把需要研究的材料当做靶材,用高能电子去轰击它就可以得到许多套标识谱,通过标示这些谱线就可以分析出材料中含有的元素成分。而通过谱权重(即特征谱线的面积)的分析就可以大致得出材料中元素的原子配比。类似的原理,我们还可以对离子晶体中离子的化学价态进行分析。通过一系列的分析,我们就可以得出新材料的元素组成和原子排布方式,从微观上探测清楚材料的性质。

能力三:有机物的动力学过程观测。对于长程有序的晶体材料,X射线可以给出离散的衍射点分布,而对于短程有序的有机生物大分子,X射线给出的是一些规律分布的衍射斑。一些生物大分子在外加条件如温度、电场、磁场等环境改变时会形成不同的排列方式,而通过观测它们的X射线衍射斑就可以知道这些过程是如何发生的。能力四:固体材料中微观动力学研究。如果出射X射线和入射X射线能量存在变化,那就意味着X射线在材料中吸收或者失去了一定的能量。损失X射线的能量尺度正好相当于固体材料中原子-原子相互作用、原子-电子相互作用、电子-电子相互作用这些作用力的能量,那么通过测量不同能量损失的X射线分布,就可以认识材料中微观动力学过程。这些研究将促进对材料的力、热、光、电磁等性质的物理机制的理解。

能力五:生物透视与人体透视。由于我的强大能量,可以轻松穿透一些材料,那就可以无损伤探测生命体内部结构。如研究动物的骨骼分布,探测植物的生长情况等等。在医学上的应用就是医学影像学,通过X射线照射拍出的底片,可以看出体内病变的地方,可以看到胎儿在母亲体内的位置。借助计算机,还可以把不同角度的X射线影像合成成三维图像,这就是所谓电脑断层扫描(CT扫描)。在机场等地方的安检台其实就是一个X射线仪。由于X射线毕竟是高能辐射的一种,长期大剂量的辐射会影响人体的健康,故如今英美国家推广的全身安检扫描仪实际上是太赫兹射线扫描仪,它可以清晰地看到你身上密度较大的地方,一些金属材料如枪支弹药刀具等等就无处藏身了。X射线的透视功能还可以用于工业探伤,即在不破坏加工出来的零件前提下,探测内部是否存在加工缺陷。不过对于金属材料零件,则需要能量更高的伽马射线。

能力六:考古和宇宙学研究。X射线还可以用于考古,它可以不破坏棺木的前提下扫面木乃伊的形态,也可以研究油画的创作过程。如图中卡拉瓦乔在17世纪代表作“牧羊人的朝拜”X射线照片,就可以看出作者在绘画过程中做的任何改动。我们宇宙起源于135亿年前的一次“大爆炸”,而宇宙中许多强烈的天文现象都会发出X射线,图中给出了美国宇航局“爱因斯坦”望远镜拍摄的一张X射线照片。X射线天文望远镜可以看到恒星如何被黑洞绞碎,星系间的碰撞,超新星和中子星的诞生等等过程。除此之外,我——X射线还具有许多应用,在此就不一一介绍了。

在结束我的自传之前,我非常乐意跟你一起分享人们“拍”的一些“X射线艺术照”。需要声明的是,这些并不是实物拍摄的X光照片,只是艺术加工出来的虚构照片,所以请你不要太较真。在这些“给力”的艺术照里:Linux企鹅有着一副类人的骨架,米老鼠带着她的大耳朵,卡通“外星人”的脑壳里其实是个小脑子,键盘里是复杂的电子元件,高跟鞋里是严重畸形的脚后跟,写字楼里到处都是忙碌的人们,洗澡的女人和抽烟的男人都被“暴露无遗”,性感的女模也不过是一副副“白骨精”,彩色X射线人体艺术更是丰富地展示了女模的“内在”。这些艺术照告诉我们,透过浮华的表面看共通的内在,展现出来的是另一个全新的世界。