隆德名言

哲学家不懂政治家的话，经济学家不懂哲学家的话，而他们谁也不懂政治家的话。

1886年12月3日生于瑞典南部的厄勒布鲁城，由于他在物理学方面的杰出贡献，职位一直坐到瑞典皇家科学诺贝尔物理学研究所所长和诺贝尔基金会委员。

卡尔·西格班1906年中学毕业后，进入隆德(Lund)大学，并于1911年以"磁场测量"为题获博士学位。

1907年至1911年在隆德大学物理研究所当著名光谱学家里德伯的助教，1920年里德伯去世后，接任物理学教授，1923年担任乌普沙拉大学物理学教授，1937年任瑞典皇家科学院实验物理学教授，同年瑞典皇家科学院诺贝尔研究所物理部成立，卡尔·西格班任第一届主任。

卡尔·西格班于1964年退休，1978年9月26日逝世。他的儿子凯·西格班(Kai M.Siegbahn,1918—)也是著名的物理学家，并因在高分辨率电子能谱学所作的贡献而获得1981年的诺贝尔奖。

卡尔·西格班是继巴克拉之后，又一次因X射线学的贡献而获诺贝尔物理学奖的物理学家。1895年伦琴发现X射线时，还没有建立X射线谱的概念，也没有任何实验证据证明X射线具有一定的分布特性。

巴克拉第一次发现在一个实验中，不管元素已化合成什么化合物，它们总是发射一种硬度的X射线。这说明X射线具有标识特定元素的特性。当原子量增大时，标识X射线的穿透本领会随着增大。也就是说，X射线变得越来越硬。当原子量很高时却又出现一种软得多的成分。这是一种特殊的标识辐射。

巴克拉发现这种新标识辐射的穿透本领也随元素原子量的增大而增大。巴克拉把这两种X辐射分别称之为K辐射和L辐射，可以说，他已经开始进入X射线谱的范畴了。劳厄发现X射线衍射对说明X射线的波动性具有决定性的意义。

X射线既然是波，就可以像可见光一样，用波长来表征不同成分的X射线。劳厄的发现不仅说明了X射线的特性和晶体点阵的真实性，还为科学提供了新的研究方法。这就是用晶体分析X射线。正是在这一基础上，布拉格父子成功地解释了X射线衍射图像，并且设计出了有效的X射线光谱仪。

这一X射线光谱仪为研究X射线谱奠定了基础。莫塞莱用布拉格X射线光谱仪研究不同元素的X射线，取得了重大成果。他从照相所得的各种元素的X射线辐射，证明K辐射是由两条谱线组成，L辐射是由四条谱线组成。

莫塞莱把各种元素的X射线谱线排列在一起，发现了一个极其简单的数学定律，根据这一定律，根据谱线位置决定的频率和波长可从所谓的原子序数得到。原子序数把各种元素基本上按原子量递增的顺序排列成一个系列，可是却比按原子量递增排列得到更合理的顺序。科学界公认莫塞莱应与巴克拉共享1917年诺贝尔物理学奖，可惜，莫塞莱于1915年不幸死在欧洲战场上。

他们的工作被卡尔·西格班继承和发展。卡尔·西格班发展了新的方法，设计了新仪器。他改进了真空泵的设计，特别是分子泵。他设计的X射线管，可使曝光时间大大缩短，从而使他的测量精度大为提高。因此他能够对X射线谱系作出精确的分析，他首先验证了巴克拉用吸收方法测出的K系和L系，同时他又发现了M系。

他测量波长的精确度比莫塞莱提高了1000倍。他证明了莫塞莱的K谱系一般都是双线，他还在50种元素的X谱线中找到了28条L系谱线和24条M系谱线。卡尔·西格班的工作支持了玻尔等人把原子中电子按壳层排列的观点。

卡尔·西格班和他的同事还从各种元素的标识X辐射整理出系统的规律，对原子的电子壳层的能量和辐射条件建立了完整的知识，同时也为与之有关的现象作出量子理论解释建立了坚实的经验基础。

卡尔·西格班在他的《伦琴射线谱学》一书中对这方面的成果作了全面总结。该书的德文版于1923年出版，英文版于次年出版。这是一部经典的科学著作。卡尔·西格班的X射线谱仪测量精度非常之高，以至于30年后还一直在许多方面得到应用。他利用两个显微镜，架在精密的测角器对角线两端，可读到角度的十分之几秒，整个光谱仪处于恒温状态。

X射线的研究方法

卡尔·西格班和他的学生们还创造了一种方法，可以根据X射线光谱分析确定未知材料的成分。这种方法是将未知材料在两束X射线下曝光，从所得X射线光谱的分布可以确定从原子序数为11的钠到原子序数为92的铀之间的全部元素。

卡尔·西格班的早期工作是研究电磁问题。1914年开始，西格巴从对电磁学的研究转向X射线光谱学。为此，他在隆德大学创建了著名的光谱学实验室。

1921年，他设计了研究光谱用的真空分光镜。他先把要分析鉴定的材料涂在X射线管的阳极板上作为靶标，再用阴极发出的电子去冲击阳极板，使其受激发，发出标识X射线。然后，用他所发明的分光镜来观察X射线光谱，并用摄谱仪摄下光谱照片。

利用这种方法，他测量、分析并确定了92种元素的原子所发射的标识X射线。这些元素的X射线标识谱间的相对简易性和紧密相似性使他确信这些辐射起源于原子内部而与外围电子结构所支配的复杂光谱线及化学性质无关。他证明了巴克拉发现的K辐射与L辐射的确存在。

另外，他还发现了另一谱线系，即M系。西格班光谱仪的高度分辨率显示了莫塞莱所发现的K谱线为双线。他在L系中发现了28条谱线，在M系中发现了24条谱线。他的工作支持波尔等科学家关于原子内电子按照壳层排列的观点。

从伦琴开始，人们一直试图证明X射线是一种波长短的电磁辐射。1924年，西格班用棱镜演示X射线的折射获得成功，从而完成了这一历史使命。1937年以后，卡尔·西格班领导的研究所致力于研究核物理问题。为此目的，1939年建造了一台可把氘核加速至5MeV～6MeV能量的回旋加速器。不久又改建成可使氘核加速到30MeV能量的更大的回旋加速器。除此之外，又建立了400000V的高压发生器。

1962年此设备改建为1.5百万V的发电站。为了研究不同放射性同位素的能量和辐射，在研究所里还建造了一台电磁分离器，并设计和建造了用于不同目的的各种新型β谱仪。用这些技术设备和后来研究出来的一些恰当的方法，卡尔·西格班和他的同事们开展了一系列重要研究。

他们研究了不稳定原子核的辐射过程和不同类型的核反应，并且精确地测量了原子核的磁特性。卡尔·西格班和他的同事们还进行了其他项目的研究，例如建造了一台新型的电子显微镜和能自动工作的光栅刻线机(精度可达每毫米1800条线),这种光栅特别适合于X射线和远紫外区。在他的研究所里，一大群年轻的科学家，包括许多来自国外的，参加到了原子核及其放射特性的研究之中。

X射线的特点：X射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为(20～0.06)×10-8厘米之间。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。

X射线的分类，放出的X射线分为两类：

(1)如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一定限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫作轫致辐射，连续光谱的性质和靶材料无关。

(2)一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫作特征辐射，特征光谱和靶材料有关。

X射线的应用领域

X线机医学上常用来作辅助检查。临**常用的x线检查方法有透视和摄片两种。透视较经济、方便，并可随意变动受检部位作多方面的观察，但不能留下客观的记录，也不易分辨细节。

摄片能使受检部位结构清晰地显示于X线片上，并可作为客观记录长期保存，以便在需要时随时加以研究或在复查时做比较。必要时还可作x线特殊检查，如断层摄影、记波摄影以及造影检查等。选择何种X线检查方法，必须根据受检查的具体情况，从解决疾病尤其是骨科疾病的要求和临床需要而定。X线检查仅是临床辅助诊断方法之一。

X射线具有很强的穿透力，医学上常用作透视检查，工业中用来探伤。长期受X射线辐射对人体有伤害。X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。

卡尔·西格班的儿子凯·西格班(1918～)1981年分享物理学奖。获得诺贝尔奖的机会本来就非常之小，但父子二人都曾接受过这项殊荣，凯·西格班是在1981年得的奖，其父卡尔·西格班则于1924年获得。

在获奖致辞中，凯·西格班说：“如果你每天从早饭时候起就开始讨论物理学，那肯定是大有好处的。”显然，凯跟他的父亲学得很好，因为他们父子二人都是因为在光谱学上的成就而获奖。光谱学是检测粒子和测量其能量的一门学科。老西格班的获奖是因为X射线光谱学的研究。

X射线的贡献

这是了解原子结构的重要途径。大家知道，X射线发自原子内部。莫塞莱确定的原子序数实际上代表了原子核内正电荷的单位数。K辐射和L辐射相当于玻尔原子理论中的两种不同的跃迁。

K辐射比L辐射的波长短，说明K辐射包含的原子能量的变化比L辐射大。也就是说，发射一条K谱线时电子跃迁到比发射一条L谱线更靠近原子核的轨道上。这样就可推断，最靠近原子核的是K能级，它的外面是L能级。

既然还观测到了波长更长的M谱线和N谱线，可以判定在L能级之外还有M能级和N能级。卡尔·西格班精确测定了这些谱线实际上是由许多细线组成的，说明这些能级还可分为更精细的结构。这一切就成了人们研究原子结构的基础。

可见，X射线光谱学为原子物理学提供的丰富资料具有何等重要的价值!卡尔·西格班为适应不同波长的测量精心改进X射线光谱仪、改进X射线管，发现标识谱中M和N线系做出了重要贡献；精益求精、努力改进仪器装置、善于学习是他成功的重要因素。

X射线的定义

X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为(20～0.06)×10-8厘米之间。由德国物理学家伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。

伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫作硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软X射线。

X射线的特征是波长非常短，频率很高。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流。

X射线(英语：X-ray),又被称为爱克斯射线、伦琴射线或X光，

是一种波长范围在0.01纳米到10纳米之间(对应频率范围30 PHz到30EHz)的电磁辐射形式。X射线最初用于医学成像诊断和X射线结晶学。X射线也是游离辐射等这一类对人体有危害的射线。

1906年，实验证明X射线是波长很短的一种电磁波，因此能产生干涉、衍射现象。X射线用来帮助人们进行医学诊断和治疗；用于工业上的非破坏性材料的检查。

X射线是波长范围在0.01纳米到10纳米之间(对应频率范围30PHz到30EHz)的电磁波，具波粒二象性。电磁波的能量以光子(波包)的形式传递。当X射线光子与原子撞击，原子可以吸收其能量，原子中电子可跃迁至较高电子轨态，单一光子能量足够高(大于其电子之电离能)时可以电离此原子。

一般来说，较大之原子有较大机会吸收X射线光子。人体软组织由较细之原子组成，而骨头含较多钙离子，所以骨头较软组织吸引较多X射线。故此，X射线可以用作检查人体结构。

X射线的发现

1895年11月8日晚，伦琴陷入了深深的沉思。他以前做过一次放电实验，为了确保实验的精确性，他事先用锡纸和硬纸板把各种实验器材都包裹得严严实实，并且用一个没有安装铝窗的阴极管让阴极射线透出。

可是现在，他却惊奇地发现，对着阴极射线发射的一块涂有氰亚铂酸钡的屏幕(这个屏幕用于另外一个实验)发出了光，而放电管旁边这叠原本严密封闭的底片，现在也变成了灰黑色。这说明它们已经曝光了!

这个一般人很快就会忽略的现象，却引起了伦琴的注意，使他产生了浓厚的兴趣。他想：底片的变化，恰恰说明放电管放出了一种穿透力极强的新射线，它甚至能够穿透装底片的袋子。不过目前还不知道它是什么射线，于是取名“X射线”。

于是，伦琴开始了对这种神秘的X射线的研究。他先把一个涂有磷光物质的屏幕放在放电管附近，结果发现屏幕马上发出了亮光。接着，他尝试着拿一些平时不透光的较轻物质比如书本、橡皮板和木板，放到放电管和激光器屏幕之间去挡那束看不见的神秘射线，可是谁S也不能把它挡住，在屏幕上几乎看不到任何阴影，它甚至能够轻而易举地穿透15毫米厚的铝板!直到他把一块厚厚的金属板放在放电管与屏幕之间，屏幕上才出现了金属板的阴影。看来这种射线还是没有能力穿透太厚的物质。实验还发现，只有铅板和铂板才能使屏不发光，当阴极管被接通时，放在旁边的照相底片也被感光，即使用厚厚的黑纸将底片包起来也无济于事。

接下来更为神奇的现象发生了!一天晚上，伦琴很晚也没回家，他的妻子来实验室看他。于是他的妻子便成了在照相底片上留下痕迹的第一人。当时伦琴要求他的妻子用手捂住照相底片。当显影后，夫妻俩在底片上看见了手指骨头和结婚戒指的影像。

1896年1月5日，在柏林物理学会会议上，展出了很多X射线的照片；同一天，维也纳《新闻报》也报道了发现X光的消息。这一伟大的发现立即引起人们的极大关注，并很快传遍全世界。在几个月的时间里，数百名科学家为此进行调查研究，一年之中就有上千篇关于X射线的论文问世。

伦琴虽然发现了X射线，但当时的人们——包括他本人在内，都不知道这种射线究竟是什么东西。直到20世纪初，人们才知道X射线实质上是一种比光波更短的电磁波，它不仅在医学中用途广泛，成为人类战胜许多疾病的有力武器，而且还为今后物理学的重大变革提供了重要的证据。正因为这些原因，在1901年诺贝尔奖的颁奖仪式上，伦琴成为世界上第一个荣获诺贝尔奖物理奖的人。人们为了纪念伦琴，将X(未知数)射线命名为伦琴射线。

X射线的发展

X射线是19世纪末20世纪初物理学的三大发现(X射线1895年、放射线1896年、电子1897年)之一，这一发现标志着现代物理学的产生。

自伦琴发现X射线后，许多物理学家都在积极地研究和探索。1905年和1909年，巴克拉曾先后发现X射线的偏振现象，但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射，仍不清楚。1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线的干涉现象》一文。

劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注。当时老布拉格(WH.Bragg)已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格

(WL.Bragg)则刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室。由于都是X射线微粒论者，两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。

他以更简洁的方式，清楚地解释了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino。这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。

1912年11月，年仅22岁的小布拉格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913

年元月设计出第一台X射线分光计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。

金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件，它充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性，使其开始为物理学家和化学家普遍接受。

X射线的原理

当接通电源，按下启动按钮时，整机便开始工作。由主控器发出的脉冲信号，经功率放大，倍压产生高压给X射线管阳极，同样主控Ⅱ发出的脉冲信号经放大给X射线管灯丝，使X射线管产生X射线，并通过数显面板显示出相应的值KV/μA。此时被测物体放在X射线源与像增强器之间，像增强器的显示屏就显示出被透视物的清晰图像。

为使仪器稳定可靠地工作，系统采用脉冲宽调技术，使管电流、管电压保持恒定，X射线管以最佳状态工作。并有高压慢启动功能，使X射线管阳极无高压过冲现象。

主控制器采用微型贴片器件，并以20KHz频率工作，使整个系统效率大为提高，消除了噪声，为操作人员提供了安静的使用环境，同时也缩小了体积。透视仪电源采用高频高效率开关电源，并具有全面的保护措施。为确保透视仪的安全，整机加有多种保护装置，使其安全可靠。

X射线的产生方法

原理解析：产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的芯电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为特性辐射。

实验生成：实验室中X射线由X射线管产生。X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极(就称靶极)用高熔点金属制成(一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料)。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X射线从靶极发出。电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。

此外，高强度的X射线亦可由同步加速器或自由电子激光产生。同步辐射光源，具有高强度、连续波长、光束准直、极小的光束截面积并具有时间脉波性与偏振性，因而成为科学研究最佳之X光光源。

探测器：X射线的探测可基于多种方法。最普通的一种方法叫作照相底板法，这种方法在医院里经常使用。将一片照相底片放置于人体后，X射线穿过人体内软组织(皮肤及器官)后会照射到底片，令这些部位于底片经显影后保留黑色；X射线无法穿过人体内的硬组织，如骨或其他被注射含钡或碘的物质，底片于显影后会显示成白色。

光激影像板因子位化容易，在少部分医院已以之取代传统底片。另一方法是利用X光照在特定材质上所产生的荧光，例如碘化钠(NaI)。科学研究上，除了使用X光CCD,也利用X光游离气体的特性，使用气体游离腔作为X光强度之侦测。这些方法只能显示出X射线的光子密度，但无法显示出X射线的光子能量。

X光光子的能量通常以晶体使X光衍射再依布拉格定律(Bragg's law)决定。目前普遍认为人眼是看不见X光的，而且几乎所有的X光的使用者都认为这是事实。然而严格地说，这实际上是不正确的。在特殊的情况下，肉眼实际上是可以看见X光的。

X射线的特征

频率值高：X射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为(20～0.06)×10-8厘米之间。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。

辐射同步：X射线谱由连续谱和标识谱两部分组成，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，其短波极限λ0由加速电压V决定：λ0=hc/(ev)h为普朗克常数，e为电子电量，c为真空中的光速。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素芯电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构。同步辐射源可产生高强度的连续谱X射线，现已成为重要的X射线源。

X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线，可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等，波长越短的X射线能量越大，叫作硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X射线管的结构原理。

X射线的分类

辐射分类：如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一定限度时，只发射连续光谱的辐射，这种辐射叫作轫致辐射。连续光谱的性质和靶材料无关。

一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫作特征辐射。特征光谱和靶材料有关。

波长分类：X射线波长略大于0.5mm的被称作软X射线。波长短于0.1纳米的叫作硬X射线。硬X射线与波长长的(低能量)伽马射线范围重叠，二者的区别在于辐射源，而不是波长。X射线光子产生于高能电子加速，伽马射线则来源于原子核衰变。

X射线的硬化：当X射线通过一定物质时，能量较低的X射线衰减系数较大，X射线平均能量增加，硬度增加，成为X射线硬化。

剂量标准：在研究高温等离子体过程中，无论是在惯性约束聚变，磁约束聚变还是在天体物理领域，都需要确切地了解高温等离子体的各种参数，如电子温度、电子密度、X射线的能谱，时间谱和时空分布，因此要对探测器及接收记录系统做精确标定，那么就需要合理地选取相应的X射线剂量标准。一般说来，在10KeV~30KeV能区，要用自由空气电离室，在1KeV~10KeV能区，选用充Xe(或p-10)气体平行平板电离室，Ex