國立中興大學物理學系

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2019-05-11

威廉·侖琴: 誤打誤撞的諾貝爾獎? (劉柏辰 中興大學物理系學生)

X光(X-Ray)的運用,早已深植我們的日常生活。像是身體健康檢查,相信有過經驗的人都知道,一次完整的健康檢查,不免要照幾張X光照,仔細看看身體內部有沒有病變或腫瘤造成的陰影;或著是,在急診部裡,發生車禍的傷患被緊急推進X光室,穿著防護衣的醫護人員熟練的操作機台,照出幾張身體各部位的照片,檢查各處骨頭是否有斷裂的情形;又或著是,在人滿為患的機場,旅客們如洄游的大批鮭魚般擠在X光機前,將大包小包的隨身行李放上運輸履帶,透過X光機的照射,讓機場維安人員檢查是否內含違禁品等。除了上述提到的例子之外,X光還有很多用途,但你有沒有想過,如此便捷且遍佈人類生活之中的X光,到底是誰發現的呢?
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脊椎X光片(https://ppt.cc/fW6o9x
 
1895年11月8日,德國符茲堡大學(Julius-Maximilians-Universität Würzburg)校長威廉·康拉德·侖琴(Wilhelm Conrad Röntgen)在一次陰極射線的實驗中,發現射線管附近塗有氰亞鉑酸鋇的屏幕上發出微光,在經過研究之後確信這是一種尚未被人發現新射線,並將之取名為「X射線」。1901年,侖琴也因為這個發現成為第一屆諾貝爾物理獎的得主。接下來,就讓我們好好探討這位傳奇科學家的一生吧!

1845年,侖琴出生於德國一個中產階級家庭,父親是一名紡織成衣業的商人,在侖琴三歲時,他們舉家搬遷到了荷蘭的阿帕爾多侖(Apeldoorn),同時他也在當地的馬爾廷尼斯·赫爾曼·凡·多倫學院(Institute of Martinus Herman van Doorn)完成了他的早期教育。在1865年,侖琴進入烏得勒支大學(Universiteit Utrecht)就讀,隨後在享有「歐陸第一名校」美譽的蘇黎世聯邦理工學院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich)學習機械工程。但是,因為他的興趣從機械工程上的設計轉變為科學上的研究,於是他開始研讀大量物理及數學方面的書籍。最終皇天不負苦心人,於1869年,侖琴以氣體研究的相關論文,獲得蘇黎世大學(Universität Zürich)的物理學博士學位。

然而,雖然侖琴學歷顯赫,研究上的表現也十分出色,卻因為在中學時期並未接受完整的學校教育,被時下的學術界認為是非正統的學習背景而不被認可,當然也無法在他當時擔任助教的符茲堡大學取得正式的教授名分。儘管如此,侖琴不僅不將這些打擊放在心上,還自顧自地做起實驗。他研究的範圍非常廣泛,從博士論文的氣體學,到晶體學、電學等等,並一一發表自己研究的結果。他漸漸獲得學術界的重視,在哥依森大學(Georg-August-Universität Göttingen)取得了教授的資格,並於1888年受邀回到符茲堡大學擔任物理研究所所長。
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圖片來源:https://ppt.cc/f70HUx
 
1895年11月,侖琴正在研究真空管中的放電能造成甚麼現象,有一次,他在真空管的射出口加上了一片開了小洞的鋁片,讓陰極射線能穿過洞口射出,並在洞口周圍用了塗有氰亞鉑酸鋇的紙屏包覆住,保護鋁片不會被陰極射線的強電場破壞。實驗中,他發現到包覆在洞口附近的紙屏會產生螢光,由於光無法穿過紙屏,因此侖琴認為是陰極射線讓紙屏產生螢光。隨後,侖琴又用了另一種叫做Crookes tube的陰極射線管再做了一次相同的實驗,並用黑色的色紙將整個真空管包住,然而,在沒有光線外洩的情況下,他卻發現不只是洞口的紙屏有螢光反應,他身後一公尺外的桌上塗有氰亞鉑酸鋇的紙張也發出螢光。

由於陰極射線管發出的光線十分微弱,會被空氣散射,因此在空氣中不可能跑得太遠,再加上又有黑紙包覆著,螢光的出現不會是陰極射線造成的。這突如其來的螢光激起了侖琴的興趣,他仔細地反覆做了幾次實驗,每次桌上的氰亞鉑酸鋇紙張都會發出螢光。於是,侖琴就在這個意外中發現了一種全新且看不見的射線。

在發現這個新射線之後,侖琴一頭栽入了有關這個新射線的各種實驗,在實驗中,他發現這是一種穿透性極強的射線,除了鉛,幾乎所有障礙物都擋不住它的行進,而侖琴也是使用鉛板作為保護實驗員的屏障之先驅。

因為這是未知的射線,因此在侖琴的實驗紀錄中,他都用數學方程式中代表未知數的「X」這個符號代替新射線,這就是X射線的名字由來,同時,為了紀念發現者侖琴,X射線又叫「侖琴射線」。

在同年12月,侖琴在符茲堡大學的醫學物理學會會刊上發表了《關於一種新的射線》,並在論文中附上了著名的侖琴太太帶著婚戒的手骨X光照片。這篇論文瞬間在國際引發熱潮,大量學者開始投入X射線的相關研究,光是在1896年之間,有多達一千多篇的X射線論文被發表,足以見識到X射線對學術界影響之深之廣
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侖琴妻子的手骨X光照片,可清晰看到無名指上的婚戒 (圖片來源:https://ppt.cc/fHYO3x
 
1901年,56歲的侖琴因為X射線的發現,榮獲第一屆諾貝爾物理獎的殊榮,符茲堡大學更因此頒授榮譽醫學博士給侖琴。也因為X射線在現今醫學方面的廣泛應用,醫學界都稱侖琴為「影像診斷學之父」,無數病人透過X光照片獲得即時的醫療而得救。

參考資料:
https://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=2&index_id=113
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A8%81%E5%BB%89%C2%B7%E4%BC%A6%E7%90%B4
http://www.bud.org.tw/museum/s_star17.htm