揭秘诺贝尔奖得主巴克拉发现谱线的全过程！
从德国物理学家伦琴发现X射线并获得诺贝尔物理学奖起，各国科学家对这种新东西的研究和争论就没断过，连诺贝尔奖基金会也格外关注起来，15年内先后为4位科学家颁发诺贝尔物理学奖。
那时候，一位英国教授则用X射线照射物体，从发射的谱线中推测原子的内部结构。最后，他完美解释了不同元素化学性质不同的物理原理，并由此获得1917年度诺贝尔物理学奖。
他的故事，要从一次实验说起。
1903年夏，英国利物浦大学现代电学讲师查尔斯•格洛弗•巴克拉绞尽脑汁设计一个关于X射线的实验。
他想通过此实验研究原子的内部结构，以此弄清原子物理的基础理论。与当时的许多科学家一样，他对两个原子物理的基础问题产生了兴趣：一是原子内部到底如何；二是不同元素的化学性质不同，这与原子到底有何关系。
利物浦大学(来源：留学网)
其实，一开始着手研究原子物理的他也没有明确的思路。有一天，他无意间看到一篇法国物理学家塞格纳克1897年发表的论文。文中称X射线照射很多物质会发生散射及二次辐射。仅此而已，文章没有更深入的分析。
眼光敏锐的巴克拉心中一动：“如果塞格纳克的理论成立的话，那用X射线照射不同元素构成的单质，根据它发出的散射及二闪辐射的射线强度就可以判定是何种元素了。”
物理理论要靠实验来支撑。深明此理的巴克拉决定通过实验来证明塞格纳克的理论，并提供精确的数据作依据。
经过反复的思考，在助手的协助下，巴克拉终于设计了一个精密的偏振实验。他让X射线管发出的射线经45°偏转照在透明物体A上，射线经物体A二次辐射投向物体B，再经物体B三次辐射投向物体C。经过测量，他发现X射线经过二、三次辐射后强度逐渐变弱。
巴克拉的偏振实验原理（来源：物理双月刊网）
“光照射三棱镜时发生多次辐射。由此看来，X射线岂不与光有相同的性质？”他似乎找到了研究的方向，“既然X射线照在物体上会发生多次辐射，那是不是可以根据射线强度来判定物质呢？”
为了找到问题的答案，他重新拟定研究思路：先用X射线照射不同单质，再用它产生的谱线强度来区别不同的元素，最后在此基础上总结元素经过X射线时出现的相应谱线。
正当巴克拉决定再接再厉，尽快弄清原子内部的秘密之时，一场纸上辩论打乱了他的节奏。究竟发生了什么？
原来，1907年夏，利物浦大学校方让巴克拉阅读一篇《物理学大事记》杂志上的文章。亨利•布拉格（即老布拉格）在此文里说X射线是粒子，还配有一些实验数据。
文末提到，弄清X射线属于粒子还是波是科学界的大事，可有些大学不参加讨论，可见校方并不是真正重视物理学。
文中的“有些大学”，自然包括利物浦大学。于是，巴克拉按照校方的意思向《物理学大事记》杂志社投了一篇稿。他在文中写道，X射线像水波一样，可以绕过障碍物继续传播。文末还配上之前所做X射线偏振实验的相关数据。
查理・巴克拉的诺贝尔官方照片(来源：物理双月刊网)
老布拉格看到《物理学大事记》上所发巴克拉的论文后，便又写了一篇论文。这次他不提实验数据，而是从理论方面说X射线是粒子。估计他无法从实验中得到更精确的数据。
文章发出来后，巴克拉也不服输，便撰文从散射角度、偏振实验等方面阐述自己的观点：X射线是波。
两人你来我往，频频发文，争得不可开交。虽然争论没有结果，但巴克拉关于X 射线的偏振实验及类似水波的观点为后来劳厄（1914年诺贝尔物理学奖获得者）发现 X 射线的衍射理论提供了铺垫。
巴克拉与老布拉格的争论虽然没有结果，但他自此开始关注对方的研究成果来。从知识产权、同行竞争等角度出发，巴克拉不但加快了X射线的研究进程，还经常通过论文公布研究成果。
惊喜总是与勤奋同行。在长年累月的实验中，巴克拉得出一条重要规律：X射线照射某元素时，会发出一条与之对应的特征谱线。由于这条谱线是该元素的身份之一，所以又称之标识谱线。
1909年，他与学生沙德勒通过实验进一步证明，标识谱线并不均匀，这是因为光谱的能量不同，有的能量高，有的能量低。为了研究方便，他把能量高的称为A-series（即A线），能量低的称为B-series（即B线）。
10年后，他把A、B线改为K、L线。据说，之所以这样改，是因为他的名字“Barkla”里有K、L两个字母。根据K、L线理论，巴克拉成功分辨出原子量大于27的原子的二级光谱。
巴克拉获奖论文图解A和B线（即K和L线，图片来源于物理双月刊网）
拨开乌云见日出。标识光谱及K、L线理论为原子物理研究打开了一扇大门。科学家们不但弄清了不同元素的化学性质不同的物理原因，还可以通过标识谱线及K、L线来分析元素的原子结构。与之关联的波义耳原子模型理论公布之后，更多物理学家关注起标识谱线来。
X射线标识谱线实质是散射技术的体现，而散射技术及标识谱线在各领域都有极重要的运用。
在地质勘探过程中，X射线的散射技术可以对岩矿进行必要的分析和鉴定；在纳米材料研制方面，可以研究纳米分子的粒度分布；在生物学上，可以研究物质的蛋白形状和生理环境……
这些，都是醉心研究X射线的巴克拉没想到的。
End
蝌蚪五线谱原创文章/转载注明来源
责编/心与纸
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