年诺贝尔物理学奖

1917年诺贝尔物理学奖——元素的标识X辐射

1917年诺贝尔物理学奖授予英国爱丁堡大学的巴克拉，以表彰他发现了标识伦琴辐射。

巴克拉是第五位因研究X射线获得诺贝尔物理学奖的学者，在他之前有1901年获奖的伦琴，1914年的劳厄和1915年的布拉格父子。不到20年就有5位诺贝尔物理学奖获得者，占当时总数的四分之一以上，由此可见，X射线的研究成果在20世纪前20年中占有何等重要的地位。

爱丁堡大学的巴克拉从1902年起就研究X射线。他从X射线受物质的散射证明原子中的电子数大约等于该元素的原子量的一半。后来证明，这一结果对轻元素是相当正确的。巴克拉在研究中发现了X射线的偏振性，这对认识X射线的波动性有一定影响。人们知道，X射线的波动性是1912年德国人劳厄用晶体衍射实验发现的。在此之前，人们对X射线的本性众说纷纭。伦琴倾向于X射线可能是以太中的某种纵波，斯托克斯认为X射线可能是横向的以太脉冲。由于X射线可以使气体分子电离，汤姆逊也认为是一种脉冲波。

X射线是波还是粒子？是纵波还是横波？最有力的判据是干涉和衍射这一类现象到底是否存在。1899年哈加和温德用一个制作精良的三角形缝隙，放在X射线管面前，观察X射线在缝隙边缘是否形成衍射条纹。他们采用三角形缝隙的原因，一方面是出于无法预先知道产生衍射的条件；另一方面是因为在顶点附近便于测定像的展宽。他们从X射线的照片判断，如果X射线是波，其波长只能小于10－9cm。这个实验后来经瓦尔特和泡尔改进，得到的照片似乎有微弱的衍射图像。直到1912年，有人用光度计测量这一照片的光度分布，才看到真正的衍射现象。索末菲据此计算出X射线的有效波长大约为4×10^－9cm。

X射线还有一种效应颇引人注目。当它照射到物质上时，会产生二次辐射。这一效应是1897年由塞格纳克发现的。塞格纳克注意到，这种二次辐射是漫反射，比入射的X射线更容易吸收。这一发现为以后研究X射线的性质作了准备。1906年巴克拉在这个基础上判定X射线具有偏振性。从X射线管发出的X射线以45°角辐照在散射物A上，从A发出的二次辐射又以45°角投向散射物B，再从垂直于二次辐射的各个方向观察三次辐射，发现强度有很大变化。沿着既垂直于入射射线又垂直于二次辐射的方向强度最弱。由此巴克拉得出了X射线具有偏振性的结论。根据X射线的偏振性，人们开始认识到X射线和普通光是类似的。巴克拉还对X射线的吸收和感光作用进行了研究，对这方面的知识作出了有价值的贡献。

偏振性的发现对认识X射线的本质虽然前进了一大步，但仅靠偏振性还不足以判定X射线是波还是粒子，因为粒子也能解释这一现象，只要假设这种粒子具有旋转性就可以了。果然在1907～1908年间一场关于X射线是波还是粒子的争论在巴克拉和亨利·布拉格之间展开了。亨利·布拉格根据γ射线能使原子电离，在电场和磁场中不受偏转以及穿透力极强等事实主张γ射线是由中性偶——电子和正电荷组成。后来他对X射线也一样看待，由此解释了已知的各种X射线现象。巴克拉则坚持X射线的波动性。两人各持己见，在科学期刊上展开了辩论，双方都有一些实验事实支持。这场争论虽然没有得出明确结论，但还是给科学界留下了深刻印象。巴克拉关于X射线的偏振实验和波动性观点可以说是后来劳厄发现X射线衍射的前奏。

巴克拉最重要的贡献是发现了元素发出的X射线辐射都具有和该元素有关的特征谱线（也叫标识谱线）。他第一个证明了X射线的二次辐射具有两种成分，一种是被散射的X射线未经改变的部分；另一种是因物质而异的荧光辐射。1909年，巴克拉和他的学生沙德勒进一步发现，标识谱线其实并不均匀，它可以再分为硬的成分和软的成分。他们把硬的成分称为K线，把软的成分称为L线。每种元素都有其特定的K线和L线。这些谱线的吸收率与发射元素的原子量之间近似有线性关系，却跟普通光谱不同，不呈周期性。

X射线标识谱线对建立原子结构理论极为重要。显然，X射线的标识谱是揭示原子结构的重要途径。所以，巴克拉的工作唤起了许多物理学家的关注和兴趣，特别是在玻尔原子模型理论发表之后。其中，莫塞莱作出的成果尤为重要。下面是莫塞莱的简单介绍。

莫塞莱是卢瑟福最年轻和最能干的一位合作者，1913年才26岁。他本来一直在研究β射线，被X射线研究的巨大成果和广阔前景所激励，主动地投入到X射线的标识谱研究之中。他采用亨利·布拉格X射线光谱仪，对一系列元素进行系统的分析，获得了非常简单的规律。

莫塞莱在《各种元素的高频光谱》一文中，把九种元素——Ca，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni和Cu，在相同反射角的条件下拍摄到的X射线标识谱排列在一起，显示了明确的规律性。1914年莫塞莱进一步作了定量计算，得到了一个和巴耳末公式类似的公式，并且证明原子中的电子数正是元素周期表中的原子序数。这样，莫塞莱就在巴克拉的基础上对玻尔原子模型理论作出了有力的支持。

莫塞莱的工作深受物理学界的赞赏，可惜1915年他不幸死于欧洲战场。莫塞莱是一位非常有才华的实验物理学家，对标识X射线谱的研究作出了重大贡献。有人说，如果莫塞莱不是过早去世，他应该能够和巴克拉共享诺贝尔物理学奖。下面是尼克拉的简单介绍。

巴克拉1876年6月7日出生于英国兰开夏郡的威德内斯，父亲是化学公司的一名秘书。巴克拉中学在利物浦书院学习，1894年进利物浦大学学院攻读数学和物理学，师从知名物理学家洛奇（Lodge）。1898年以优异成绩毕业于物理系，次年获硕士学位。1899年获得1851年大展览会奖学金进入剑桥大学三一学院，1902年回到利物浦大学当洛奇的助手，1900年转到国王学院，1905～1909年相继担任表演师、助理物理讲师和高级电学讲师，1909年继威耳逊当伦敦大学教授，1913年起直到去世，在爱丁堡大学任自然哲学教席。

巴克拉的第一项研究是关于电波沿导线传播的速度，但从1902年起，他开始进行X射线的研究并在这一领域作出了一系列重大发现。巴克拉1944年10月23日在爱丁堡逝世。