倫  琴

Roentgen, Wilhelm Conrad

文:小罐子老師

 

當我們作身體健康檢查時,醫生總會幫我們照一張胸部X光片,當片子沖洗好之後,在燈光下那張X光片,隱約透露出你的骨骼和2片肺頁的狀況,醫生會依據這個資料來判斷你的胸腔內部健不健康。當然你可能還想知道自己身體其他器官健不健康,所以醫生可能還會安排你作腸胃道攝影(就是我們常說的內視鏡檢查)、腎臟輸尿管膀胱攝影血管攝影電腦斷層攝影,這些檢查方式都是利用X射線的穿透和顯影技術所發展出來的醫學技術;如果你以為X射線只運用於醫學上,那可是大錯特錯呢!最近國際恐怖行動盛行,想想看!機場海關的官員是利用什麼東西檢查往來的行李?郵局利用什麼機器檢查郵包中有沒有炸彈和其他危險物?X射線運用在工商業,像是:檢查金屬鑄造物是否有裂縫、鑑定寶石的真假等,應用範圍非常廣泛。

這個神秘而極具價值的X光,從100多年前被發現的那一天起,就註定對人類產生巨大的影響,而發現X光的科學家倫琴,究竟是怎樣的一個人呢?X光又是怎樣被他發現的呢?小罐子老師今天就來說說倫琴的故事。

學術之路

1845年倫琴出生在德國的盧內堡一個中產階級的家庭,父親在萊茵河畔的利納普開了一家衣料廠。因為倫琴的外婆是義大利後裔,住在荷蘭,因此倫琴曾在那裡接受啟蒙教育。後來倫琴又到瑞士的蘇黎世接受高等教育,他在蘇黎世的一所工業學校獲得了機械設計學位,但是,後來他的興趣轉到對科學的研究上,於是他開始閱讀這一方面的書籍,並且在物理及數學上下了很大的的功夫,皇天終不負苦心人,終於以「氣體研究」的論文獲得蘇黎世大學的博士學位。

緊接著,倫琴以助教的身分隨著老師到了維爾茲堡大學進行學術研究與教學工作。在那堙A雖然經過老師的一再推薦,而且倫琴本身的表現也相當出色優秀,但是維爾茲堡大學仍然無法給這位年輕助教一個正式的名分,因為在他早期的教育中沒有經過中學教育階段。而在當時,沒有經過中學教育階段的人依往例是不能納入學術正統的,但是倫琴卻根本不理會這些,他開始先後發表自己在物理學上的研究結

倫琴的實驗室一景

果,並且陸續在其他大學任教,這使他很快就有了名氣。不久後,終於在哥依森大學取得了教授的資格。1888年倫琴受聘回到維爾茲堡大學擔任物理教授和物理研究所所長,這時他已經是當代有名的物理學家。而且倫琴研究科學的範圍是多方面的,包括:氣體、晶體學、彈性學、電學、毛細現象

1895年發現X光之前,倫琴已經經歷26年漫長的學術生涯,他不僅是理科的專家、更是科學實驗的能手。X光的發現,讓倫琴其他方面的成就黯然失色、甚至被人遺忘了,這可能是倫琴當初始料未及的。

X光的發現

1895118日這天,倫琴正在準備進行陰極射線實驗。陰極射線是由電子流構成

的,而電子流是通過放在一個幾乎是真空的玻璃管兩端的電極,加高電壓所產生的。倫琴用黑色的厚紙將電極管嚴密的包裹起來,只留下一條狹縫,以便通電時,沒有光洩漏。當他通電時,赫然發現除了電極管的微光外,一公尺外還有個東西正發出綠光,仔細一瞧,原來是塗有鉑氰酸鋇的紙屏正在發出螢光。

面對這突如其來的螢光,倫琴發揮科學家追根究底的精神,仔細檢查實驗儀器和過程的每個環節,確定電極管是讓紙屏發光的唯一因素。

陰極射線實驗的電極管

但是問題來了?陰極射線管所發出的光十分微弱,又用黑紙包著,紙屏怎麼可能會發光呢?何況紙屏和電極管的距離還超過一公尺以上呢!於是他再用更厚的黑布將電極管蓋起來,依舊無法停止紙屏發光;他又嘗試著在電極管和紙屏中間加隔厚紙板、書籍,或其他障礙物,螢光還是存在,把紙屏反轉過來,使塗有鉑氰酸鋇的那一面背著電極管,但是螢光仍然不滅。真正歷史性的一刻是當倫琴把手伸到電極管和紙屏之間時,他大吃一驚,紙屏上竟然出現手骨的影像

倫琴欣喜若狂,他知道他發現一種穿透性極強的射線,而且經過他不斷地實驗,發現不論什麼東西都擋不住這種奇妙的射線,只有才檔的住;而且它不同於一般光線,三稜鏡並不能使它折射、也不受磁場作用產生偏移。189512月,倫琴將他的發現在維爾茲堡大學醫學物理學會會刊上正式發表,並附上他妻子的手骨X光照片(如左圖)

X射線幾乎是立刻成為科學界最熱門的話題,各大報刊也用顯著的篇幅來報導,倫琴有關X光的論文馬上被歐美科學界不斷重印研究,而且許多科學家立刻投入接續的研究,光是1896年一年之中,科學界研究X光的論文竟然高達一千多篇,傳播速度之快、反應之強烈,真是前所未有。

          倫琴太太的手骨影像

諾貝爾的榮耀

同學們知道第一屆的諾貝爾物理學獎,是由誰獲得?是的,就是倫琴。1901年,56歲的倫琴因為這項偉大的發現,而獲得首屆物理獎,他把所有獎金捐給了維爾茲堡大學,並且告訴與會的記者:「和成功的解決一個問題後,內心所得到的滿足比較起來,任何獎項都不足掛齒」。

倫琴的研究中,發現X射線是陰極射線打擊管壁時所產生。於是倫琴在真空管中安裝一個金屬靶,當陰極射線集中射到靶上時,就會發出很強的X射線。這種裝置叫做「X射線管」也叫「倫琴管」,用這樣的理論和方式產生X光,一直適用到100年後的今天。

倫琴一生有五十八篇科學著作,其中僅僅只有三篇是有關於X光的,然而就是在這三篇論文堙A他卻完成了許多的X光理論的基礎工作,指出了一些重要觀念和關鍵性的問題,以致日後的二十多年堙A沒有何一位物理學家能夠再在其上加添任何東西。

情感豐富的科學家

倫琴雖然是一位科學家,但是他的興趣卻是相當廣泛,他喜歡文學,熱愛藝術。他讀的書很多並且相當深入,尤其對傳記、遊記、名人書信和寫實派的文學作品興趣濃厚。另外,我們在許多有關倫琴的資料中,也發現他具有這種多面性的真性情,譬如:他雖然在外表上和一般教授沒有兩樣,讓人感覺是個書生氣質相當重的人,但是每逢放假的時候,他卻變成了登山打獵的能手,而且他也喜歡徒步旅行。幾乎每一個假期他都和要好的朋友們消磨在去義大利、瑞士或是巴伐利亞。在巴伐利亞他甚至擁有一間相當不錯的打獵別墅,常常招待一些喜好打獵的朋友們住在那堙C

倫琴就是這樣一個非常懂得生活的人。然而人畢竟逃不過人生過程堛犖媞奡d劇,即使是偉人也不例外。在倫琴的晚年生活中,他的太太長年臥病在床,最後甚至每天要注射五針才能止痛,而倫琴總是親自為她注射,動作熟練就像一位大夫一樣。妻子死後,每逢她的生日時,倫琴仍不忘在她的照片前為她慶祝,而且就和她活著時後一樣,在她的面前朗誦一些的書信文章,這些鶼鰈情深的細膩情懷,常常令他的學生與朋友為之動容。1923年,倫琴在德國慕尼黑去世,享年88歲。

X光的應用與防護

在眾多研究應用X光的人中,最引人注意的是美國的愛迪生與法國的居禮夫人 發明家愛迪生在1896年就製造出X光透視螢光屏,並製造商業用的X光機出售給醫院,1897年美西戰爭期間並設計移動型X光機供戰地使用。另一位是法國科學家居禮夫人,她在第一次世界大戰期間,設計活動的X光車巡迴各戰地,並設立二百個野戰醫院X光站,對傷兵的救治幫忙極大。

1920年代以前X光被廣泛使用,甚至濫用。醫院用它來診斷疾病,攝影家把它當做另一種照相工具,甚至連鞋店,也裝設X光機,讓客人透視看看自己的腳骨。因為剛開始,人們不知X光的幅射會傷害人體。逐漸人們發現,經常照射X光的部位會出現皮膚灼傷,汗毛脫落,接著頭髮、眉毛掉落,皮膚出現惡性潰瘍,尤其以X光工作人員的傷害最明顯,雖然當時有人提出X光會有幅射傷害,但因大家對X光熱心過頭,而有意無意地忽略那些幅射傷害,直到1920年代之後,才普遍知道使用鉛衣鉛手套來防護。

X光的應用面非常廣,如果有興趣進一步瞭解X射線所衍生的現代科技,可參閱天下文化出版的兩本書《露骨—X射線檔案》、《露骨醫學造影檔案》。

參考資料

http://home.phy.ntnu.edu.tw/~cheng83/

http://su.tkp.edu.hk/sciencemonth/sci6.html

露骨—X射線檔案 天下文化出版

露骨醫學造影檔案 天下文化出版

圖片來源:

http://www.shadow.net/~ebaumel/X_ray.html

http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/history1_xray.html

http://www.nstm.gov.tw/