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揭秘诺贝尔奖得主巴克拉发现谱线的全过程!

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  从德国物理学家伦琴发现X射线并获得诺贝尔物理学奖起,各国科学家对这种新东西的研究和争论就没断过,连诺贝尔奖基金会也格外关注起来,15年内先后为4位科学家颁发诺贝尔物理学奖。

  那时候,一位英国教授则用X射线照射物体,从发射的谱线中推测原子的内部结构。最后,他完美解释了不同元素化学性质不同的物理原理,并由此获得1917年度诺贝尔物理学奖。

  他的故事,要从一次实验说起。

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  巧设实验测射线

  1903年夏,英国利物浦大学现代电学讲师查尔斯格洛弗巴克拉绞尽脑汁设计一个关于X射线的实验。

  他想通过此实验研究原子的内部结构,以此弄清原子物理的基础理论。与当时的许多科学家一样,他对两个原子物理的基础问题产生了兴趣:一是原子内部到底如何;二是不同元素的化学性质不同,这与原子到底有何关系。

  

  利物浦大学(来源:留学网)

  其实,一开始着手研究原子物理的他也没有明确的思路。有一天,他无意间看到一篇法国物理学家塞格纳克1897年发表的论文。文中称X射线照射很多物质会发生散射及二次辐射。仅此而已,文章没有更深入的分析。

  眼光敏锐的巴克拉心中一动:“如果塞格纳克的理论成立的话,那用X射线照射不同元素构成的单质,根据它发出的散射及二闪辐射的射线强度就可以判定是何种元素了。”

  物理理论要靠实验来支撑。深明此理的巴克拉决定通过实验来证明塞格纳克的理论,并提供精确的数据作依据。

  经过反复的思考,在助手的协助下,巴克拉终于设计了一个精密的偏振实验。他让X射线管发出的射线经45°偏转照在透明物体A上,射线经物体A二次辐射投向物体B,再经物体B三次辐射投向物体C。经过测量,他发现X射线经过二、三次辐射后强度逐渐变弱。

  

  巴克拉的偏振实验原理(来源:物理双月刊网)

  “光照射三棱镜时发生多次辐射。由此看来,X射线岂不与光有相同的性质?”他似乎找到了研究的方向,“既然X射线照在物体上会发生多次辐射,那是不是可以根据射线强度来判定物质呢?”

  为了找到问题的答案,他重新拟定研究思路:先用X射线照射不同单质,再用它产生的谱线强度来区别不同的元素,最后在此基础上总结元素经过X射线时出现的相应谱线。

  正当巴克拉决定再接再厉,尽快弄清原子内部的秘密之时,一场纸上辩论打乱了他的节奏。究竟发生了什么?

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  纸上辩论传佳话

  原来,1907年夏,利物浦大学校方让巴克拉阅读一篇《物理学大事记》杂志上的文章。亨利布拉格(即老布拉格)在此文里说X射线是粒子,还配有一些实验数据。

  文末提到,弄清X射线属于粒子还是波是科学界的大事,可有些大学不参加讨论,可见校方并不是真正重视物理学。

  文中的“有些大学”,自然包括利物浦大学。于是,巴克拉按照校方的意思向《物理学大事记》杂志社投了一篇稿。他在文中写道,X射线像水波一样,可以绕过障碍物继续传播。文末还配上之前所做X射线偏振实验的相关数据。

  

  查理巴克拉的诺贝尔官方照片(来源:物理双月刊网)

  老布拉格看到《物理学大事记》上所发巴克拉的论文后,便又写了一篇论文。这次他不提实验数据,而是从理论方面说X射线是粒子。估计他无法从实验中得到更精确的数据。

  文章发出来后,巴克拉也不服输,便撰文从散射角度、偏振实验等方面阐述自己的观点:X射线是波。

  两人你来我往,频频发文,争得不可开交。虽然争论没有结果,但巴克拉关于X 射线的偏振实验及类似水波的观点为后来劳厄(1914年诺贝尔物理学奖获得者)发现 X 射线的衍射理论提供了铺垫。

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  原子结构解谱线

  巴克拉与老布拉格的争论虽然没有结果,但他自此开始关注对方的研究成果来。从知识产权、同行竞争等角度出发,巴克拉不但加快了X射线的研究进程,还经常通过论文公布研究成果。

  惊喜总是与勤奋同行。在长年累月的实验中,巴克拉得出一条重要规律:X射线照射某元素时,会发出一条与之对应的特征谱线。由于这条谱线是该元素的身份之一,所以又称之标识谱线

  1909年,他与学生沙德勒通过实验进一步证明,标识谱线并不均匀,这是因为光谱的能量不同,有的能量高,有的能量低。为了研究方便,他把能量高的称为A-series(即A线),能量低的称为B-series(即B线)。

  10年后,他把A、B线改为K、L线。据说,之所以这样改,是因为他的名字“Barkla”里有K、L两个字母。根据K、L线理论,巴克拉成功分辨出原子量大于27的原子的二级光谱。

  

  巴克拉获奖论文图解A和B线(即K和L线,图片来源于物理双月刊网)

  拨开乌云见日出。标识光谱及K、L线理论为原子物理研究打开了一扇大门。科学家们不但弄清了不同元素的化学性质不同的物理原因,还可以通过标识谱线及K、L线来分析元素的原子结构。与之关联的波义耳原子模型理论公布之后,更多物理学家关注起标识谱线来。

  X射线标识谱线实质是散射技术的体现,而散射技术及标识谱线在各领域都有极重要的运用。

  在地质勘探过程中,X射线的散射技术可以对岩矿进行必要的分析和鉴定;在纳米材料研制方面,可以研究纳米分子的粒度分布;在生物学上,可以研究物质的蛋白形状和生理环境……

  这些,都是醉心研究X射线的巴克拉没想到的。

  End

  蝌蚪五线谱原创文章/转载注明来源

  责编/心与纸

  

  

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