§1.1 前言
在 19 世紀末自 1895 至 1898 這 3 年間，從X 射線(又稱 X 光)的出現至天 然存在放射性元素釙、鐳的發現，人類 開始接觸到用人工方法造成的輻射(在 醫院多稱為放射線)以及天然放射性核 種。輻射科技進展的迅速，難以想像。
在這段期間內，影響最深遠的首推X 射 線。
§1.2 X 射線的發現
X 射線是一種短波的電磁波，具有 很強的穿透本領。這種射線是由德國物 理 學 家 侖 琴(Wilhelm Conrad Röntgen, 1845-1923)於 1895 年 11 月在維爾茨堡 (Würzburg)大學實驗室裏發現的。X 射 線的發現是對陰極射線長期深入研究的 必然結果，並促進放射性和電子的發 現。因此，侖琴的這一成就具有里程碑 的意義。為了解X 射線的發現過程及其 對後來科學研究的深遠影響，首先有必 要簡要介紹一下侖琴和他新發現的歷史 背景。
1. 在研究而非在想
1845 年 3 月 27 日出生的侖琴是 一個德國商人且為一呢絨廠負責人的
獨子，他 3 歲時舉家遷荷蘭。他小時 候學習並不用功，父母希望他將來成 為商人，以便繼承父輩基業。他在中 學時代因嬉戲被開除，因而在後來想 進入大專院校時，由於缺少中學文憑 而招來許多麻煩。幸虧他在中學所讀 自然科學學科的評語很好，1865 年才 能 獲 准 進 入 瑞 士 蘇 黎 世 工 業 學 校 (Zürich Polytechnical School)，在機械 系待了3 年，德國籍克勞修斯(Rudolf Clausius, 1822-1888) 是 他 的 物 理 老 師。1868 年畢業以後，他就在孔特 (August Kundt, 1839-1894)的建議下 蘇 黎 世 仍 在 工 業 學 校 研 究 物 理 學。
1869 年他向蘇黎世大學提出論文，同 年6 月 22 日獲蘇黎世大學頒予博士學 位後，1870 年就隨孔特到維爾茨堡大 學 ， 並 成 為 這 位 實 驗 物 理 學 家 的助 手。後經多次輾轉，1894 年他當上維 爾茨堡大學校長，翌年發現X 射線，
從此聞名於世。由於他的這一科學貢 獻，他榮獲首屆諾貝爾物理學獎(1901 年)以及許多其他的榮譽。
侖琴的科學研究主要涉及氣體熱 學性質、光的偏振、光和電的關係、
以及電介質中的磁效應等。他一生酷 愛晶體，一直在研究晶體熱電和壓電
現象。可是他沒有想到，正是他所喜 愛的晶體，在他探討陰極射線性質的 實驗中，向他閃爍著神秘的螢光，引 導他去發現 X 射線這種看不見的東 西。
侖琴的科學研究態度極端認真嚴 謹。他從不馬虎從事，凡事喜歡自己 動手。在做實驗時，他不喜歡帶個助 手而是喜歡獨自一人，有條不紊地認 真試驗。他為人謙遜，不喜作預言，
也從不習慣於聲張自己的發現，且他 總是無私地把自己的研究成果及時告 知同業和朋友。他把獲得的諾貝爾獎 金轉贈給維爾茨堡大學，以促進科學 研究的發展。這位首屆諾貝爾物理學 獎獲得者，也是第一位不作演講的科 學家。他認為關於他的發現的一切要 點，都在他的有關的 3 篇論文中詳述 無遺。他也是生前吩咐在他去世後把 他的手稿全部焚燒無遺的物理學家。
他不習慣於詳述自己的研究過程。因 此，有關他的重大發現的記載，多少 帶有臆測的成分。他的研究工作的最 大 特 點 之 一 ， 與 英 國 籍 法 拉 第 (Michael Faraday, 1791-1867)相似，往 往以直觀形式提出理論物理的問題，
侖 琴 的 學 生 德 國 索 末 菲 (Arnold Sommerfeld, 1868-1951) 形 容 他 不 需 要“數學的拐杖”。1923 年 2 月 10 日侖琴罹患腸癌過世，享年78 歲。
2. 從陰極射線到 X 射線
X 射線的發現是對陰極射線深入
研究的一個直接的結果。因此，有必 要簡要回顧一下在X 射線發現前有關 陰極射線的研究情況。
有關真空放電現象的研究由來已 久，法拉第曾於1836 年發現稀薄氣體 的放電伴隨著色彩繽紛的輝光，並發 現 “ 法 拉 第 暗 區 ” 。 德 國 普 呂 克 (Julius Plücker, 1801-1868)借助於較 高真空度的放電管於 1860 年代進一 步研究法拉第暗區，他發現與放電管 陰極相對的管壁上(即陽極哪一端)呈 現綠色螢光，這個光斑還會因外界磁 鐵的移動而改變位置。後來，他的學 生希托夫(Johann Hittorf, 1824-1914) 獲得 10-5大氣壓的高真空度，他做了 一個有趣的實驗，即在陰極和螢光斑 之間插入其他物體，這時就呈現出這 物體的投影，於是可以判斷放電是從 陰極而來的現象，是一種射線。他後 來還用彎管做實驗，從而判斷這種射 線是直進的。德國物理學家戈德斯坦 (Eugen Goldstein, 1850-1930)於 1876 年進一步從實驗證實這種射線的直線 傳播性質和受外界磁場的影響將產生 偏轉，並且發現，無論用什麼金屬材 料製成的陰極，也不管陰極的形狀如 何，所得結果都一樣。他第一次把這 種射線稱為“陰極射線”。1879 年，
英 國 物 理 學 家 克 魯 克 士(William Crookes, 1832-1919) 製 成 克 魯 克 士 管，其真空度達 10-6大氣壓，並發現 克 魯 克 士 暗 區 。 他 還 做 了 個 轉 輪實
驗，即在克魯克士管內安放一個小葉 輪如圖1.1 所示，當陰極射線射來時，
它會轉動起來。此外他還發現陰極射 線會使金屬箔產生熱效應。
這陰極射線究竟是什麼，它由什 麼所組成？歷史上，人們曾對此作出 許多猜想，並引起激烈的爭論。直到 1890 年代初期，逐步形成了兩種具有 代表性的看法，一種是以德國物理學 家 赫 茲 (Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894) 為 代 表 的 “ 以 太 振 動 說”，另一種是以英國物理學家克魯 克士為代表的“粒子說”。而且，大 部分德國科學家持前一種觀點，而大 部分英國科學家則持後一種觀點。例 如，赫茲通過實驗於1892 年認定陰極 射線是一種以太振動，他的學生和助 手列納德(Philipp Lenard, 1862-1947) 於1894 年做了一支列納德管，把陰極 射線從管內通過一個薄鋁窗引到空氣 中，獲得所謂列納德射線，他以此論 斷陰極射線確實是一種以太振動，認 為粒子是無法穿過這金屬窗口的。魏 德 曼 (Gustav Heinrich Wiedemann, 1826-1899)等人也支持這種看法。而 英國物理學家則堅信陰極射線是粒子 流。例如，克魯克士從他的實驗中判 斷 這 種 射 線 是 具 有 動 量 的 “ 分 子 流”，1884 年英國物理學家舒斯特 (Arthur Schuster, 1851-1934)指出陰極 射線是帶負電的粒子流，可能是分子 或原子射束。還有其他一些分析，但
不外是兩種不同見解。究竟陰極射線 是什麼，這個問題一時難以下定論。
侖琴認為已有的實驗結果並沒有得到 合理的解釋，而且這些實驗果真如此 嗎？他從不人云亦云，他要自己動手 做實驗並檢驗列納德與克魯克士等人 的實驗。這就是導致侖琴發現X 射線 的歷史背景。因此，從陰極射線的深 入研究導致 X 射線的發現，這是一個 科學史的必然性。
3. X 射線的發現過程
侖琴發現X 射線的過程，一般的 傳說是這樣的：侖琴為探索陰極射線 的性質，曾經用列納德管重複赫茲和 列納德所做的實驗，據說列納德曾經 為他提供了一支優質列納德管。實驗 時，侖琴為保證實驗的精確性，就設 法使放電管不受外界的影響，因而他 用錫箔和硬紙板包住放電管。當他接 通電流並把塗有亞鉑氰化鋇的螢光屏 移近列納德管的鋁膜窗口時，他發現 螢光屏上出現螢光。於是，他仔細調
陰極
高壓
圖1.1 早 期 克 魯 克 士 管 ( 陰 極 射 線 管 ) 的 示 意 圖。放在射線穿行的路徑上以雲母做的馬 爾他十字架(Maltese cross)，在管子螢光屏 一端投下一陰影。
節螢光屏和鋁窗的距離，結果確證陰 極射線可穿透空氣幾厘米遠。然後，
他改用克魯克士管做實驗，也發現螢 光，不過螢光顯得模糊不清，於是他 繼續實驗。1895 年 11 月 8 日星期五 晚上，為了仔細觀察螢光屏上模糊的 螢光，也為了排除外界的一切光線干 擾，他關閉實驗室不使漏光，並且檢 查 克 魯 克 士 管 是 否 用 黑 紙 板 包 封嚴 密。當他要著手實驗而接通高壓電源 時，突然發現在實驗臺上放在克魯克 士管附近的小螢光晶體閃爍著螢光，
塗 有 亞 鉑 氰 化 鋇 [barium platinocyanide, BaPt(CN)4]的紙屏也閃 爍著淺綠色的光。他驚訝極了，這種 奇異現象可是從未見到也從未聽 說過！於是他急切地重複實驗。
他把螢光屏移開，直到 2 米多遠 還隱約可以見到這種螢光。他似 乎意識到這不可能是陰極射線，
因為列納德管引出的射線只不過 有 幾 厘 米 射 程 ！ 對 於 這 奇 異 現 象，他開始探索這“看不見的射 線”。從此，他廢寢忘食地在實 驗室裏連續做了 6 個星期，全神 貫注探索這種奇異射線的性質。
他不聲張新的發現，除非徹底查 清可能得到的一切結果，否則他 是不向外界宣布的。最後，直到 他確認這是一種聞所未聞的新射 線時，才於1895 年 12 月 28 日在
維爾茨堡醫學物理會上第一次報告自 己的發現。他報告的論文題為「一種 新的射線──初步報告」。在這個報 告 中 ， 他 介 紹 了 實 驗 裝 置 和 實 驗方 法。由於當時對這種新射線的本質尚 不清楚，故稱為X 射線，在這篇文章 中還指出了 X 射線的某些性質。因為 侖琴是德國人，所以德國科學家常把 X 射線稱為侖琴射線。他發現 X 射線 在空氣中的射程有 2 米多而且是直線 傳播的，他發現外界磁場不會使X 射 線發生偏轉；他發現X 射線來自克魯 克士管的相對於陰極的陽極。尤其使 他感到驚奇的是這種射線有非常強的 穿 透 本 領 。 他 拿 上 千 頁 的 厚 書 來實
圖1.2 侖琴攝於 1895 年，左上圖為 X 光拍攝侖琴夫 人左手的照片，戒指清晰可見
驗，X 光透得過去；他拿幾厘米厚的 1846-1931)、埃克斯納(F. Exner)及彭 加 勒 (Jules Henri Poincare, 1854-1912，法國數學家、物理學家和 哲學家)等人。1896 年 1 月 4 日，瓦堡 在柏林物理學會的一次會議上展出侖 琴的幾張X 射線照片，1896 年 1 月 5 日 ， 奧 地 利 物 理 學 家 列 赫 爾(Ernst Lecher, 1856-1926)的父親在維也納經 辦的一家報社，以「聳人聽聞的發現」
(Albers-Schönberg) 1904 年 產生血液改變 米斯納與莫斯
(Milchner and Mosse) 1904 年 產生白血病 海格(Heincke)
響。
法 國 實 驗 物 理 學 家 貝 克 勒 爾 (Henri Antoine Becquerel, 1852-1908) 於1896 年初了解到侖琴的發現，這引 起他極大的興趣並立即做 X 射線實 驗。在實驗過程中，他發現了一種與
法 國 實 驗 物 理 學 家 貝 克 勒 爾 (Henri Antoine Becquerel, 1852-1908) 於1896 年初了解到侖琴的發現，這引 起他極大的興趣並立即做 X 射線實 驗。在實驗過程中，他發現了一種與