X先生自傳

羅會仟

愛未知，不愛無知。愛穿透，也愛相干衍射。愛繽紛斑點，更愛多姿底片。不是微波，不是可見光，也不是粒子流，我是X先生，請叫我X-Ray。X，代表未知數(shù)的X，因為X=？意味著一個有無限未知解的方程；X，代表神秘莫測的X，一群有著金剛刀、風暴眼、幻影術(shù)等強大特異功能的變種人——X戰(zhàn)警。他們潛伏在正常人的身邊，而我則是潛伏在自然界中的X。我在哪里，清晰的視界就在哪里。你看不見我，但我可以透視你，甚至在你毫無知覺的情況下輕松穿過你的身體。我，就是神秘的X射線。

我的家族

我的家族叫電磁波，我們靠電磁場交互感應(yīng)傳播能量，即使在什么也沒有的真空，也可以光速暢行無阻。你看不見我，是因為相比我的可見光兄弟而言，我的波長要短得多，只有0.01～1納米。如果波長在0.1～1納米，請叫我軟X射線；如果波長在0.01～0.1納米，請叫我硬X射線；如果波長小于0.01納米，那我就是超硬X射線；如果波長再短一點的話，那就是我弟弟伽馬射線了（來自于原子核衰變）；我哥哥紫外線比我的波長要長一點點。

我的特別之處一方面在于我的波長很短，短到了原子量級，為此我可以看到原子們是如何排列組合在一起的；另一方面在于我的能量很高，因此我的穿透本領(lǐng)很強，不過我的能量也不是特別的高，所以我可以“透視”有機生命體而不損害他們。雖然被我照射太久容易患上癌癥，但我同樣也可以殺死癌細胞治療癌癥?？傊沂且话央p刃劍。

我誕生于原子內(nèi)層，內(nèi)層電子躍遷釋放出的能量就是射線形式的我——高能量、短波長的我。我不帶電，我是波，我可以衍射也可以干涉。

我的“伯樂”

我存在于宇宙中已經(jīng)很多年，但被人類認識卻僅有百余年?？唆斂怂埂⒑掌?、特斯拉、愛迪生、勞厄、倫琴等許多物理學家都研究過我。起初，在加上電壓的真空管里的陰極端，德國物理學家希托夫看到了我把玻璃管壁弄出了熒光，于是人們叫我“陰極射線”（其實我走的是中性路線，喜歡陰柔的家伙是電子，不是我）。英國物理學家克魯克斯發(fā)明了有高壓電極的玻璃真空管，也看到了被我感光的照片底片。遺憾的是，他對我沒有興趣，沒有繼續(xù)研究下去。后來，那個著名的“科學超人”尼古拉·特斯拉擺弄克魯克斯管的時候，看到了我的“連續(xù)體”——高速電子受靶極阻擋而產(chǎn)生的連續(xù)輻射，又叫軔致輻射。可惜的是，他甚至沒有給我取個名字，還提醒人說我是對人體有害的。德國物理學家赫茲在驗證電磁波存在的實驗中，也曾發(fā)現(xiàn)我有能力穿過金屬箔，不過他更喜歡籠統(tǒng)地叫我電磁波。

到了1895年，屬于我的時代終于來臨了。德國物理學家威廉·康拉德·倫琴成為了我的發(fā)現(xiàn)者和命名者。他發(fā)現(xiàn)，所謂的“陰極射線”可以讓有氰亞鉑酸鋇涂層的屏幕發(fā)光，而包裹嚴實的照相底片也被該射線穿透致曝光了。這種強大的穿透能力哪怕是面對15毫米厚的鋁板也不在話下，只有鉛板和鉑板才能阻擋。他用這種未知的射線為他的妻子的手拍了照片——顯影出來的是手掌里的骨頭，還有象征他們愛情的結(jié)婚戒指。這意味著，不需要通過解剖就可以清楚地看到人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，從此醫(yī)生多了一副強大的“眼鏡”，可以透過皮肉看到骨骼，看到體內(nèi)是否有病變。倫琴興奮地把這種“未知”射線命名為“X射線”。從此，我有了名字，我的名字含義是“未知”。

倫琴的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科學界對射線研究的一輪熱潮，在短短一年里發(fā)表的關(guān)于我的研究論文就有1000多篇。法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了更多的射線，我的兄弟阿爾法射線、伽馬射線和貝塔射線等相繼被人們所認識。而居里夫婦從自然界提取了鐳和釙，發(fā)現(xiàn)了天然放射性。以此為基礎(chǔ)，英國物理學家盧瑟福用加速粒子轟擊原子，發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，用新的理念打開了人們對微觀世界研究的大門。這些人都是諾貝爾獎獲得者。我的發(fā)現(xiàn)者倫琴是第一屆（1901年）諾貝爾物理學獎得主。

我從哪里出現(xiàn)

要制造我并不難。你需要一個真空密封的玻璃管，一端是燈絲狀的陽極，一端是平板金屬做的陰極。兩端加上高電壓，就會發(fā)生高速電子撞擊到金屬平板靶上。電子能量足夠高就可以把金屬內(nèi)部的電子打出來而在原子內(nèi)層軌道留下空穴，外層電子躍遷回到內(nèi)層填補空穴的同時就會放出輻射——X射線。由于高速電子撞擊金屬靶會發(fā)熱，所以金屬靶一端需要用水來冷卻。早期的X射線管體積較大也容易碎，現(xiàn)代的X射線管已經(jīng)精簡到只有一根圓珠筆的長度了。

現(xiàn)代的X射線儀器中的光源已經(jīng)大大改進，功率也大為提高。根據(jù)麥克斯韋方程組可以推出，自由電子在高速運動過程中若改變運動方向則會同時輻射電磁波，這類在同步加速器上發(fā)現(xiàn)的輻射被稱為同步輻射。同步輻射光源具有強度高、連續(xù)性好、光束準直好、光束截面積極小并具有時間脈波性與偏振性等諸多優(yōu)勢，是目前光譜學研究的最佳光源之一，X射線也屬于這類光源其中一小段波長區(qū)間。中國在上海建設(shè)了居于世界先進水平的同步輻射光源——上海光源，目前一些束線站已經(jīng)投入使用了。

我能看到什么

自從我被人類發(fā)現(xiàn)以來就備受關(guān)注，然而我的用武之地不僅僅限于拍攝“透視”的X光片。真正將我的功用發(fā)揚光大的人是馬克斯·馮·勞厄和布拉格父子（威廉·亨利·布拉格和威廉·勞倫斯·布拉格）。

因為我可以用于拍攝X光片，許多科學家認為我應(yīng)該屬于一種特殊的光線，也就是波的一種。但要證明我的波動性，就必須有衍射和干涉等性質(zhì)，由于我的波長只是可見光的千分之一，要靠人工制作尺寸如此之小的光柵是不可能的。德國物理學家勞厄意識到，自然界中晶體內(nèi)部原子就是規(guī)則排列的，如果晶體中原子間隙合適，就可以作為X射線的光柵。只是因為晶體里存在許多層原子，等同于許多層光柵的疊加，這將使得衍射的圖樣非常復雜。不過，勞厄等人還是在1912年成功地做了這個實驗。他們將垂直于晶軸切割的硫化鋅平行晶片放在X射線源和照相底片之間，果然發(fā)現(xiàn)照相底片上出現(xiàn)規(guī)則排列的衍射斑點。這項偉大的發(fā)現(xiàn)證實了我的波動性，同時提供了一種更為強大的實驗工具——利用固定波長的X射線可以探測晶體內(nèi)部原子的排布情況，人們從此可以“看到”晶體中原子的排列。

但是，要從復雜的晶體衍射斑點推演出晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻不是件容易的事情。英國物理學家布拉格父子為此做出了數(shù)學上的精巧推導，并總結(jié)出布拉格方程式。利用這個簡潔的數(shù)學模型工具，科學家解出了許多物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如我們熟知的金剛石的結(jié)構(gòu)是碳原子組成的正四面體。進一步的實驗證實，晶體的X射線衍射花樣與晶體中原子的空間排布互為傅里葉變換關(guān)系。勞厄和布拉格父子對X射線的研究誕生了一門新的技術(shù)——X射線衍射技術(shù)，它使得材料內(nèi)部的原子排布不再神秘——所有的材料在我強大的照射下，都是可以“看穿”的。勞厄于1914年，布拉格父子于1915年分別獲得諾貝爾物理學獎。

我的“超能力”

說完了我的歷史故事，該說說我的“超能力”是什么了。

能力一：晶體結(jié)構(gòu)分析。我的波長在0.01～1納米之間，這正好相當于原子的大小以及固體中原子的間距。我的波長和電子的波長相當，不同的是，電子具有靜止質(zhì)量而我沒有。那么當我入射到固體材料中時，里面的大量電子將把我散射出來，每個原子里的電子對我的散射形成疊加就相當于原子對我的散射，而每層規(guī)則排列的原子對我的散射疊加就相當于原子平面對我的反射。根據(jù)布拉格方程，對于特定波長的入射光，只會在某些角度有特定的出射光，這些角度對應(yīng)著不同特征原子層間距，通過標示出這些原子層就可以推導出晶體中可能的原子排列方式。對于單晶材料（指內(nèi)部微粒有規(guī)律地排列在一個空間格子內(nèi)的晶體），我可以在底片上留下規(guī)則的衍射斑點，采用傅里葉變換就可以得到原子的排列方式。改換不同的入射和出射方向，就可以得知晶體內(nèi)部原子的三維空間排布方式；對于多晶材料（由諸多取向不同的小顆粒單晶組成），則可以測量不同衍射角下的出射峰并推斷其屬于哪個原子層，不同的材料將有自己獨特的一套衍射峰分布。如果建立一套多晶衍射數(shù)據(jù)庫，里面有各種晶體結(jié)構(gòu)的標準衍射數(shù)據(jù)，那么通過核對就可以輕松推斷出晶體中的原子排布結(jié)構(gòu)。這套衍射數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在被稱為“粉末X射線衍射卡片庫”，是材料學研究中最重要的數(shù)據(jù)庫之一。DNA復雜的雙螺旋結(jié)構(gòu)，正是通過X射線衍射研究弄清楚的。

能力二：元素成分分析。X射線管內(nèi)靶材可以發(fā)射和靶材料有關(guān)的一系列特征譜——X射線標識譜，不同的元素具有各自獨特的核外電子排布，因此就會有一系列獨特的X射線標識譜。如果把需要研究的材料當作靶材，用高能電子去轟擊它就可以得到許多套標識譜，通過標示這些譜線就可以分析出材料中含有的元素成分。通過譜權(quán)重（即特征譜線的面積）的分析就可以大致得出材料中元素的原子配比。通過類似的原理，我們還可以對離子晶體中離子的化學價態(tài)進行分析。通過一系列的分析，我們就可以得出新材料的元素組成和原子排布方式，從微觀上探測清楚材料的性質(zhì)。

能力三：有機物的動力學過程觀測。對于長程有序的晶體材料，X射線可以給出離散的衍射點分布，而對于短程有序的有機生物大分子，X射線給出的是一些規(guī)律分布的衍射斑。一些生物大分子在外加條件如溫度、電場、磁場等環(huán)境改變時會形成不同的排列方式，而通過觀測它們的X射線衍射斑就可以知道這些過程是如何發(fā)生的。

能力四：固體材料中微觀動力學研究。如果出射X射線和入射X射線能量存在變化，那就意味著X射線在材料中吸收或者失去了一定的能量。損失X射線的能量尺度正好相當于固體材料中原子-原子相互作用、原子-電子相互作用、電子-電子相互作用這些作用力的能量，那么通過測量不同能量損失的X射線分布，就可以認識材料中微觀動力學過程。這些研究將促進對材料的力、熱、光、電磁等性質(zhì)的物理機制的理解。

能力五：生物透視與工業(yè)探傷。由于我的強大能量，可以輕松穿透一些材料，那就可以無損傷探測生命體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如研究動物的骨骼分布，探測植物的生長情況等等。在醫(yī)學上的應(yīng)用就是醫(yī)學影像學，通過X射線照射拍出的底片，可以看出體內(nèi)病變的地方，可以看到胎兒在母親體內(nèi)的位置。借助計算機，還可以把不同角度的X射線影像合成出三維圖像，這就是所謂電腦斷層掃描（CT掃描）。在機場等地方的安檢臺其實就是一個X射線儀。由于X射線畢竟是高能輻射的一種，長期大劑量的輻射會影響人體的健康，故如今英美等國推廣的全身安檢掃描儀實際上是太赫茲射線掃描儀。它可以清晰地看到你身上密度較大的地方，一些金屬材料如槍支彈藥、刀具等等就無處藏身了。X射線的透視功能還可以用于工業(yè)探傷，即在不破壞加工出來的零件的前提下，探測內(nèi)部是否存在加工缺陷。不過對于金屬材料零件，則需要能量更高的伽馬射線。

能力六：考古和宇宙學研究。X射線還可以用于考古，它不破壞棺木就可以掃描木乃伊的形態(tài)，也可以研究油畫的創(chuàng)作過程。我們宇宙起源于135億年前的一次“大爆炸”，而宇宙中許多強烈的天文現(xiàn)象都會發(fā)出X射線。X射線天文望遠鏡可以看到恒星如何被黑洞絞碎，星系間的碰撞，超新星和中子星的誕生等等過程。

【責任編輯】龐 云