從德國物理學家倫琴發現X射線並獲得諾貝爾物理學獎起，各國科學家對這種新東西的研究和爭論就沒斷過，連諾貝爾獎基金會也格外關注起來，15年內先後為4位科學家頒發諾貝爾物理學獎。
那時候，一位英國教授則用X射線照射物體，從發射的譜線中推測原子的內部結構。最後，他完美解釋了不同元素化學性質不同的物理原理，並由此獲得1917年度諾貝爾物理學獎。
他的故事，要從一次實驗說起。
01
巧設實驗測射線
1903年夏，英國利物浦大學現代電學講師查爾斯格洛弗巴克拉絞盡腦汁設計一個關於X射線的實驗。
他想通過此實驗研究原子的內部結構，以此弄清原子物理的基礎理論。與當時的許多科學家一樣，他對兩個原子物理的基礎問題產生了興趣：一是原子內部到底如何；二是不同元素的化學性質不同，這與原子到底有何關係。
利物浦大學(來源：留學網)
其實，一開始著手研究原子物理的他也沒有明確的思路。有一天，他無意間看到一篇法國物理學家塞格納克1897年發表的論文。文中稱X射線照射很多物質會發生散射及二次輻射。僅此而已，文章沒有更深入的分析。
眼光敏銳的巴克拉心中一動：「如果塞格納克的理論成立的話，那用X射線照射不同元素構成的單質，根據它發出的散射及二閃輻射的射線強度就可以判定是何種元素了。」
物理理論要靠實驗來支撐。深明此理的巴克拉決定通過實驗來證明塞格納克的理論，並提供精確的數據作依據。
經過反覆的思考，在助手的協助下，巴克拉終於設計了一個精密的偏振實驗。他讓X射線管發出的射線經45°偏轉照在透明物體A上，射線經物體A二次輻射投向物體B，再經物體B三次輻射投向物體C。經過測量，他發現X射線經過二、三次輻射後強度逐漸變弱。
巴克拉的偏振實驗原理（來源：物理雙月刊網）
「光照射三稜鏡時發生多次輻射。由此看來，X射線豈不與光有相同的性質？」他似乎找到了研究的方向，「既然X射線照在物體上會發生多次輻射，那是不是可以根據射線強度來判定物質呢？」
為了找到問題的答案，他重新擬定研究思路：先用X射線照射不同單質，再用它產生的譜線強度來區別不同的元素，最後在此基礎上總結元素經過X射線時出現的相應譜線。
正當巴克拉決定再接再厲，儘快弄清原子內部的秘密之時，一場紙上辯論打亂了他的節奏。究竟發生了什麼？
02
紙上辯論傳佳話
原來，1907年夏，利物浦大學校方讓巴克拉閱讀一篇《物理學大事記》雜誌上的文章。亨利布拉格（即老布拉格）在此文裡說X射線是粒子，還配有一些實驗數據。
文末提到，弄清X射線屬於粒子還是波是科學界的大事，可有些大學不參加討論，可見校方並不是真正重視物理學。
文中的「有些大學」，自然包括利物浦大學。於是，巴克拉按照校方的意思向《物理學大事記》雜誌社投了一篇稿。他在文中寫道，X射線像水波一樣，可以繞過障礙物繼續傳播。文末還配上之前所做X射線偏振實驗的相關數據。
查理巴克拉的諾貝爾官方照片(來源：物理雙月刊網)
老布拉格看到《物理學大事記》上所發巴克拉的論文後，便又寫了一篇論文。這次他不提實驗數據，而是從理論方面說X射線是粒子。估計他無法從實驗中得到更精確的數據。
文章發出來後，巴克拉也不服輸，便撰文從散射角度、偏振實驗等方面闡述自己的觀點：X射線是波。
兩人你來我往，頻頻發文，爭得不可開交。雖然爭論沒有結果，但巴克拉關於X 射線的偏振實驗及類似水波的觀點為後來勞厄（1914年諾貝爾物理學獎獲得者）發現 X 射線的衍射理論提供了鋪墊。
03
原子結構解譜線
巴克拉與老布拉格的爭論雖然沒有結果，但他自此開始關注對方的研究成果來。從智慧財產權、同行競爭等角度出發，巴克拉不但加快了X射線的研究進程，還經常通過論文公布研究成果。
驚喜總是與勤奮同行。在長年累月的實驗中，巴克拉得出一條重要規律：X射線照射某元素時，會發出一條與之對應的特徵譜線。由於這條譜線是該元素的身份之一，所以又稱之標識譜線。
1909年，他與學生沙德勒通過實驗進一步證明，標識譜線並不均勻，這是因為光譜的能量不同，有的能量高，有的能量低。為了研究方便，他把能量高的稱為A-series（即A線），能量低的稱為B-series（即B線）。
10年後，他把A、B線改為K、L線。據說，之所以這樣改，是因為他的名字「Barkla」裡有K、L兩個字母。根據K、L線理論，巴克拉成功分辨出原子量大於27的原子的二級光譜。
巴克拉獲獎論文圖解A和B線（即K和L線，圖片來源於物理雙月刊網）
撥開烏雲見日出。標識光譜及K、L線理論為原子物理研究打開了一扇大門。科學家們不但弄清了不同元素的化學性質不同的物理原因，還可以通過標識譜線及K、L線來分析元素的原子結構。與之關聯的波義耳原子模型理論公布之後，更多物理學家關注起標識譜線來。
X射線標識譜線實質是散射技術的體現，而散射技術及標識譜線在各領域都有極重要的運用。
在地質勘探過程中，X射線的散射技術可以對巖礦進行必要的分析和鑑定；在納米材料研製方面，可以研究納米分子的粒度分布；在生物學上，可以研究物質的蛋白形狀和生理環境……
這些，都是醉心研究X射線的巴克拉沒想到的。
End
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責編/心與紙
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