2023 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)在 10 月 3 號(hào)公布了，共有三位物理學(xué)家分享這個(gè)物理學(xué)界的最高獎(jiǎng) —— 皮埃爾?阿戈斯蒂尼、費(fèi)倫茨?克勞斯和安妮?呂利耶，以表彰他們將產(chǎn)生阿秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)方法用于研究物質(zhì)的電子動(dòng)力學(xué)。
對(duì)于這種極短的光，小木匠還在整理資料，等我理順了，學(xué)明白了，再分享給大家吧。這個(gè)熱點(diǎn)跟的有點(diǎn)力不從心！
大家可知道，第一屆的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就給了一個(gè)發(fā)現(xiàn)新電磁波的物理學(xué)家嗎？
威廉?康拉德?倫琴，以表彰他發(fā)現(xiàn)了”一種新的射線“——X Ray。為了紀(jì)念他的偉大發(fā)現(xiàn)，X-Ray 也被命名了倫琴射線，輻射量的計(jì)量單位也是”倫琴“。
在《最通俗易懂的電磁波基礎(chǔ)》一文中，我們?cè)敿?xì)介紹了電磁波，這種存在于宇宙中最最最廣泛的波，包含了我們?nèi)庋劭梢姷墓獠?，也包括各種通信用的無線電波，還包括各種宇宙射線 ——X 射線， 伽馬射線等等。電磁波頻譜如下圖所示。
講到這里，可能有同學(xué)有疑問：為什么麥克斯韋沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)呢？我想主要原因這位電磁波領(lǐng)域最最最偉大的科學(xué)家去世的太早了。麥克斯韋（1831 年 6 月 13 日 —1879 年 11 月 5 日）他去世的時(shí)候，諾貝爾獎(jiǎng)還沒有成立，而且諾貝爾獎(jiǎng)只授予活著的人。但是首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就授予了”一個(gè)新的電磁波“，就足以證明麥克斯韋奠基的這個(gè)事業(yè)的偉大。而倫琴射線對(duì)我們現(xiàn)在生活的重大意義，就不用多說了。無論是醫(yī)療，工業(yè)，生活，都有著這種”新型“電磁波的應(yīng)用。
而倫琴之后，更有數(shù)十位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的物理學(xué)家或多或少的與電磁波的研究有直接關(guān)系，包括我們課本上常見的洛倫茲，馬可尼，卡爾?費(fèi)迪南德?布勞恩，威廉?肖克利等等。
僅僅在倫琴發(fā)現(xiàn)的這個(gè) X 射線領(lǐng)域，就有近 25 位科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
今天我們一起來認(rèn)識(shí)一下這位研究電磁波的老前輩 —— 威廉?倫琴。
威廉?倫琴的生平
1845 年 3 月 27 日，人類歷史上一個(gè)稀疏平常的一天，德國(guó)倫內(nèi)普的一個(gè)普普通通的紡織商家里，一個(gè)小男孩出生了，天空中沒有什么祥云高照，屋頂上也沒什么神鳥降臨。小男孩的父親給他起了一個(gè)名字威廉，也是一個(gè)國(guó)外極其普通的名字，加上他的姓氏就是 威廉?康拉德?倫琴，德語就是 Wilhelm Conrad R?ntgen。
小威廉也是一個(gè)不省心的娃，雖然沒有”子不學(xué)斷機(jī)杼“，我想主要是，雖然家里面是做紡織生意的，但是機(jī)杼這個(gè)東西已經(jīng)被瓦特發(fā)明的蒸汽織布機(jī)給替代了。但是在小威廉三歲的時(shí)候，全家搬遷到了荷蘭的阿帕爾多倫，荷蘭中部的一個(gè)市鎮(zhèn)。
在這里，小威廉就讀于馬丁尼斯?赫爾曼?范多倫學(xué)院，后來呢，只考上了技校 —— 烏德勒支技術(shù)學(xué)院，并且竟然被這所技校開除了，原因是給一位老師畫諷刺漫畫。
所以呢，三歲看老完全是唬人的，只要你努力，什么時(shí)候都不晚。20 歲的時(shí)候呢，威廉開始奮發(fā)圖強(qiáng)，努力學(xué)習(xí)，終于進(jìn)入了烏德勒支大學(xué)學(xué)習(xí)，隨后在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院學(xué)習(xí)機(jī)械工程，并在 1869 年，24 歲的時(shí)候獲得了蘇黎世大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。
所以說牛人往往都是后期發(fā)力的，小時(shí)候聰明很多時(shí)候變成了”傷仲永“的實(shí)例。
小威廉也成為人們口中的別人家的孩子，一步一步打怪升級(jí)為了 Doctor R?ntgen，倫琴博士。
接下來我們用 倫琴這個(gè)稱呼，講述威廉?康拉德?倫琴職業(yè)生涯的勵(lì)志故事。
1874 年的時(shí)候，倫琴任斯特拉斯堡大學(xué)講師，1875 年成為 Hohenheim 農(nóng)業(yè)學(xué)院教授，1876 年重返斯特拉斯堡大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)教授，1879 年任吉森大學(xué)物理系主任，1888 年任維爾茨堡大學(xué)物理系主任，1900 年，在巴伐利亞政府一再請(qǐng)求下?lián)文侥岷诖髮W(xué)物理系主任。
開掛的人生不僅學(xué)業(yè)年年高升，職位也是年年高升。從一個(gè)講師跳槽到農(nóng)學(xué)院擔(dān)任教授，然后曲線救國(guó)成為原大學(xué)的教授，最終在巴伐利亞政府的三顧茅廬之下?lián)文侥岷诖髮W(xué)物理系主任。
你知道這個(gè)慕尼黑大學(xué)物理系有多牛逼嗎？截至 2020 年 10 月，共有 43 位校友、教職工曾經(jīng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，在全球院校諾獎(jiǎng)排名中位列 16 名 。馬克斯?普朗克、馬克斯?韋伯、沃納?海森堡，歐姆，赫茲，貝時(shí)璋等都曾在此求學(xué)任教。獲得 2023 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的費(fèi)倫茨?克勞斯也是慕尼黑大學(xué)物理學(xué)教授。
1895 年 11 月 8 日，倫琴在德國(guó)維爾茨堡大學(xué)任教的時(shí)候，有一天在進(jìn)行陰極射線的實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察到在射線管附近涂有氰亞鉑酸鋇的屏上發(fā)出微弱的光，他確信這種光是一種尚未人所知的新射線，并于一個(gè)月后的 12 月 8 日，倫琴完成了初步的實(shí)驗(yàn)報(bào)告”一種新的射線“，并且發(fā)布在維爾茨堡的 Physcial-Medical Society 雜志上。對(duì)于這種新的未知射線，倫琴采用表示未知數(shù)的 X 來命名，即 X 射線。盡管如此，依然有很多科學(xué)家采用倫琴的名字來命名，稱其為倫琴射線。
基于此，倫琴獲得了首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
哥倫布發(fā)現(xiàn)的新大陸激起了歐洲的移民潮，倫琴也曾有過移民美國(guó)的打算，并且已經(jīng)接受了紐約哥倫比亞大學(xué)的邀請(qǐng)，同時(shí)也買好了船票。但是第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)改變了他的計(jì)劃，繼續(xù)留在德國(guó)慕尼黑大學(xué)繼續(xù)他未完成的事業(yè)。1923 年 2 月 10 日，78 歲高齡的倫琴去世，死于內(nèi)臟癌癥。盡管那個(gè)時(shí)候還沒有證據(jù)證明 X-Ray 是癌癥的元兇。但是我想或多或少受到過這種電離輻射的影響。
X-Ray 的發(fā)現(xiàn)
庸俗的人生有千百種辯解的理由，而開掛的人生都有一個(gè)共同點(diǎn) —— 仔細(xì)觀察，如果再加一個(gè)形容詞的話，那就是堅(jiān)持不懈的仔細(xì)觀察。
無論是法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，還是倫琴發(fā)現(xiàn) X 射線，都離不開堅(jiān)持不懈的仔細(xì)觀察。
1869 年物理學(xué)家約翰?威廉?希托夫在實(shí)驗(yàn)中觀察到真空管的陰極發(fā)出的射線會(huì)在玻璃管壁上產(chǎn)生熒光，1876 年的時(shí)候，這種射線被歐根?戈?duì)柕滤固姑麨椤标帢O射線“。隨后英國(guó)物理學(xué)家克魯克斯研究稀有氣體里面的能量釋放，發(fā)明了克魯克斯管。在這種真空管中，放置有可以產(chǎn)生高電壓的電極，克魯克斯研究發(fā)現(xiàn)將未曝光的相片底片靠近這種管時(shí)，底片部分被曝光了，但是他沒有繼續(xù)他的研究。1887 年的時(shí)候，特斯拉使用自己設(shè)計(jì)的高電壓真空管與克魯克斯管研究陰極射線。1892 年，赫茲通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些陰極射線可以穿透非常薄的金屬箔。
1895 年，倫琴使用赫茲，希托夫，克魯克斯，特斯拉，萊納德等人設(shè)計(jì)的設(shè)備研究真空管中的高壓放電效應(yīng)。在這一年的 11 月初的時(shí)候，倫琴利用萊納德管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，在這個(gè)萊納德管中加入了一個(gè)非常窄的金屬鋁作為窗口，允許陰極射線從管子里面射出來，另外有紙板保護(hù)鋁窗口不被產(chǎn)生陰極射線的強(qiáng)電場(chǎng)破壞。
他知道紙屏能夠防止光線逃逸，但是觀察到當(dāng)他用涂了氰亞鉑酸鋇的小紙屏靠近鋁窗，看不到的陰極射線能夠在紙屏上產(chǎn)生熒光效應(yīng)。這讓倫琴想到，比萊納德管的管壁更厚的克魯克斯管可能也會(huì)導(dǎo)致熒光效應(yīng)。
1895 年 11 月 8 日下午晚些時(shí)候，他決定試驗(yàn)他的想法。他仔細(xì)的做了一個(gè)跟萊納德管試驗(yàn)類似的黑紙屏，并用這塊板覆蓋住克魯克斯管并把電極放到一個(gè)感應(yīng)線圈 (舊稱為“魯姆科夫線圈”) 中來產(chǎn)生靜電電荷。在用氰亞鉑酸鋇屏驗(yàn)證他的想法之前，倫琴把房間弄暗以檢測(cè)是不是他的紙板漏光。當(dāng)他把線圈穿過管子的時(shí)候，確定板子確實(shí)不透光，并著手進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。就在這時(shí)，他從距離試驗(yàn)管幾米遠(yuǎn)的地方注意到微弱的光。為了確定他的發(fā)現(xiàn)，他試著重復(fù)上面的操作，每次都能看到同樣的微光。擦燃一根火柴，他才發(fā)現(xiàn)是他放在工作臺(tái)上準(zhǔn)備下一步使用的氰亞鉑酸鋇發(fā)光。
接下來的幾個(gè)小時(shí)倫琴一遍一遍的重復(fù)著試驗(yàn)。他很快確定出一個(gè)距離管子特定的距離，從這里能夠觀察到比前面的試驗(yàn)更強(qiáng)的熒光。他推測(cè)可能發(fā)現(xiàn)了一種新的射線。11 月 8 日是一個(gè)星期五，倫琴利用這個(gè)周末重復(fù)試驗(yàn)并做了第一次記錄。在接下來的幾個(gè)星期他在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)吃住，研究了他暫時(shí)命名為 X 射線的新射線的差不多所有性質(zhì)，并用對(duì)未知的部分給出數(shù)學(xué)表示。盡管最終新的射線用他的名字來命名為倫琴射線，但是他總是首選最初的術(shù)語 X 射線。
當(dāng)他研究不同材料對(duì)這種射線的阻擋能力，就把這一小片材料放到射線產(chǎn)生的地方。可以想象當(dāng)看到第一張呈現(xiàn)在他制作的屏幕上的 X 光影像上閃爍的骨架的時(shí)候，倫琴是多么地驚訝。據(jù)說他后來在實(shí)驗(yàn)室秘密的進(jìn)行這項(xiàng)試驗(yàn)，因?yàn)樗ε氯绻@個(gè)發(fā)現(xiàn)是個(gè)錯(cuò)誤會(huì)影響他的教授聲譽(yù)。
倫琴的原始論文《一種新的 X 射線》在 50 天后也就是 1895 年 12 月 28 日被出版。而倫琴夫人的手掌“X 射線”照片，更是引起了巨大的轟動(dòng)。
在倫琴發(fā)現(xiàn) X 射線后僅僅幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，它就被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像，1896 年 2 月，蘇格蘭醫(yī)生約翰?麥金太爾在格拉斯哥皇家醫(yī)院設(shè)立了世界上第一個(gè)放射科。放射醫(yī)學(xué)也是 X 射線應(yīng)用最為廣泛的學(xué)科。
有一天，你需要去醫(yī)院拍個(gè)片時(shí)，請(qǐng)記住這個(gè)偉大的科學(xué)家 —— 威廉?康拉德?倫琴。
”天不生仲尼，萬古如長(zhǎng)夜“。
每次讀科學(xué)家的故事的時(shí)候，都有這樣的一種感覺。他們真的是老天爺派來拯救我們的嗎？如果沒有麥克斯韋，沒有赫茲，沒有馬可尼，沒有亞歷山大?貝爾，我們現(xiàn)在是不是還處于一個(gè)通信基本靠吼的時(shí)代？
本文來自微信公眾號(hào)：射頻學(xué)堂 （ID：RF_Center），作者：RF 小木匠
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