在上一個單元中

我們提到了X射線的起源

並說明了微觀尺度下

高速移動的電子

在遇到金屬板後產生X射線的機制

相信大家對於這個能幫助我們透視各種物品的X射線

有了更多的認識

但你知道嗎？

早期的侖琴在發現了X射線以後

卻有了更多的疑惑

除了為何它可以輕易穿透物質以外

最讓人在意的

就是X射線的本質到底是什麼了

讓我們在本集的影片

告訴你科學家們是如何揭開X射線的面紗吧

關於射線本質的探討

首先

讓我們回顧過去學到的波動說與粒子說

想必大家印象都還很深刻吧？

我們曾經在光的波動說單元中

詳細介紹波動及粒子的各種特性以及表現

藉由特定的方法實驗

我們便能確認未知的射線到底是粒子還是波

例如在過去

楊格曾利用雙狹縫實驗證實了光是一種波

他藉由寬度約為1mm的兩條狹縫

讓同調光源通過

看到屏幕上出現一條一條的干涉條紋

而在陰極射線管的實驗中

我們也能藉由照射風車能使風車旋轉這件事情

證實陰極射線是由具有質量的粒子組成的

從這些經驗當中來看

驗證射線屬於波還是粒子

似乎已有了固定的辨別作法

然而當科學家嘗試在X射線上進行探索時

費解的難題還是出現了

當科學家們嘗試使用了各種我們以往熟悉的那些方法

來檢測X射線

他們發現無論是何種方法

皆無法確認X射線到底是波還是粒子

X射線既無法像陰極射線一樣使車輪旋轉

也無法像可見光那樣

通過狹縫產生干涉條紋

唯一能確定的

只有X射線通過電場與磁場時不會發生偏轉

因此不帶磁性與電性

從這些歷程中

我們便能先有以下一些推論

為何X射線通過細小的狹縫不會有繞射現象

也許X射線真的不是一種波

又或者我們所準備的狹縫尺度不便於X射線發生繞射

關於粒子性的推論也是如此

可能X射線並非真實粒子

又或者是質量極小

以至於我們難以察覺

最終

這個令人困惑的問題

最後還是被物理學家克服了

1912年物理學家勞厄

選擇相信X射線是一個波長遠比可見光更小的波

為了要看到這個波的繞射圖形

需要準備的狹縫孔隙

勢必也要比可見光實驗用的還要更加細小才可以

但是在過去光的波動性單元中我們也提到

為了觀測到可見光的繞射

狹縫的縫寬已經來到了0.1毫米

這個間距已達到手工製作的極限

難以再繼續將製作的間距弄得更小

於是勞厄大膽地採用了自然界中最天然的狹縫

來驗證X射線屬於波的猜想

什麼是天然的狹縫呢？

居然是整齊排列的原子晶格！

在自然界中某些物質的原子是整齊排列的

各位在化學課裡面應該還有一些印象吧！

關於生活中最常見的晶體物質

最典型的例子

就是我們在化學課提到的氯化鈉

其結構為面心立方體

如畫面所示

像這類具有特定原子排列的晶格

原子與原子的間距約在奈米等級

這就是最天然也更加細小的縫隙

無數細小的縫隙組成奈米等級的光柵

也就是多重狹縫

當勞厄使用實際的X射線照射晶格之後

果然也看到複雜但有規律的繞射條紋

自此

X射線被證實為一種波

現在

我們來思考一下這個問題

你知道答案嗎？

答案是A！

你答對了嗎？

利用晶格作為待照射物

不但能看到繞射條紋發生

也能進一步利用條紋大小及照射角度

來算出X射線波長大小

這張圖是當年在諾貝爾講座展示的

X射線晶體繞射實驗結果

勞厄先生利用他測量的資訊

在一開始就大致推算出了X射線的波長約為1Å

但是精密度仍有些不足

因此在他發表了自己的發現隔年

又一對科學家布拉格父子

提出了另一種晶格繞射實驗的測量方法

他利用晶體的晶面表層分子

來使X射線進行繞射干涉

如圖所示

假設晶格表面的每層分子彼此間距為d

若X射線以θ射向晶面

通過第一層反射及第二層反射的兩條路線長度不等

形成所謂的光程差

量值為2dsinθ

在特定的角度發生時

可以看到兩條路徑的光會形成完全建設性干涉

此時的光程差為波長的整數倍

整理光程差的資訊

最後我們便得到了2dsinθ = nλ

利用這項結論

只要我們帶入晶隔間距的資訊d以及角度θ

就可以算出更加精準的X射線波長了

總結開頭我們提到的問題

當初在探索X射線的路上之所以遇到瓶頸

是因為比起可見光而言

X射線波長又更小

因此過往經驗無法驗證

然而這不代表我們必須完全捨棄這些經驗不用

在勞厄與布拉格的案例中

我們看到了他們站在既有的經驗上

更進一步發揮創意

設計了嶄新的實驗方式來驗證X射線

靠著這些貢獻

在1914年及1915年前後

勞厄與布拉格父子以這些研究成果

得到了諾貝爾物理學獎的殊榮

他們的故事也給了我們很大的啟發

那就是在科學探索中

一個厲害的科學家

不但要有豐富的知識含量

有時也需要有膽大心細的創意

才能克服那些未知的問題

你知道嗎？

在布拉格父子完成了繞射實驗後

後續竟然還啟發了化學家們

確立了元素週期表的排列規則呢！

這到底是怎麼回事呢？

讓我們留到下部影片再深入解說吧！

讓我們回顧以下本集影片所學到的內容

X射線不帶電性與磁性

X射線波長比可見光更小

需要使用原子尺度的晶格

才能觀察其繞射現象

布拉格利用繞射實驗中的入射角度

與相對應的反射光強度

成功算出X射線波長

在形成完全建設性干涉的情況下

其波長與晶隔間距關係式為

2dsinθ = nλ

想一想

如果科學家們又找到了一個波長比X射線小更多的電磁波

那要如何量測它的波長呢？

歡迎留言分享你的想法

我們下次見囉

bye bye