1901 年諾貝爾物理獎：為什麼X 射線不叫倫琴射線？ - 泛科學

第一屆諾貝爾物理獎得主是Wilhelm Conrad Röntgen，倫琴。

這個名字和一種與我們的生活息息相關的物理現象相連，不過卻沒有被冠上倫琴的名字。

... 倫琴就是X 射線（X-ray）的 ... 000文字分享友善列印繁|简000好書搶先看科學傳播萬物之理1901年諾貝爾物理獎：為什麼X射線不叫倫琴射線？—《物理雙月刊》物理雙月刊・2017/01/17・1431字・閱讀時間約2分鐘・SR值447・四年級＋追蹤文／余海峯｜馬克斯．普朗克地外物理研究所博士後研究員第一屆諾貝爾物理獎得主是WilhelmConradRöntgen，倫琴。

這個名字和一種與我們的生活息息相關的物理現象相連，不過卻沒有被冠上倫琴的名字。

第一屆諾貝爾物理獎得主是WilhelmConradRöntgen，倫琴。

這個名字和一種與我們的生活息息相關的物理現象相連，不過卻沒有被冠上倫琴的名字，他就是X射線（X-ray）的發現者。

圖／PublicDomain,wikimediacommons倫琴就是X射線（X-ray）的發現者，即我們日常說的X光。

為什麼X射線不稱為倫琴射線呢？原來這與X射線的發現有關。

這是1895年，倫琴是符茲堡大學（UniversityofWüzburg）的物理系主任。

他當時正研究各種真空管的放電會產生什麼現象。

有一次，他使用一個能夠讓陰極射線（其實即是電子流）從鋁片上小洞射出的真空管。

為免鋁片被陰極射線的靜電損壞，他在鋁片上加了卡紙。

他留意到放在洞口附近、塗上了一種叫做platinocyanide的螢光物質的卡紙產生了螢光（這就是用於舊式電視螢幕上的化學物）。

由於光不能穿過鋁片上的卡紙，倫琴認為是陰極射線令卡紙產生了螢光。

倫琴決定用另外一種真空管Crookestube再測試一次，就是我們在學校物理實驗課裡，用來演示磁場會令電子偏向的那一種。

他準備好塗上了platinocyanide的卡紙，然後用黑色的卡紙把整個真空管包住，再把燈關掉以確認沒有漏光。

就在他檢查真空管的時候，他發現放在身後桌上的卡紙發出螢光。

Crookestube真空管。

圖／ByZátonyiSándor,CCBY-SA3.0,wikimediacommons由於桌子離開真空管太遠，螢光不太可能是陰極射線造成的。

這是因為電子會被空氣散射，不能在空氣之中走得太遠。

謹慎的倫琴重複了幾次實驗，幾次都發現桌上的卡紙發出螢光。

就是這樣，倫琴就發現了一種新的、看不見的射線。

由那時開始，倫琴就不斷做有關這種新射線的實驗。

他幾乎工作到廢寢忘餐的程度，工作、吃飯和睡覺都在實驗室裡。

他在同年12月發表了論文《關於一種新的射線》（ÜbereineneueArtvonStrahlen），從此X射線就被廣泛發展，今天我們可以見到在天文、醫學、保安等領域的應用。

倫琴在他的實驗筆記上紀錄了所有實驗結果。

由於這是一種未知的射線，他就用數學之中代表未知數的「X」去命名這種射線。

這就是X射線名稱的由來了。

後來其他人提議要用他的名字去代表這種射線時，他堅持要叫它做X射線。

現在某些語言會用他的名字去稱呼X射線，例如他的母語德文把X射線稱為Röntgenstrahlung，即倫琴射線。

倫琴使用X射線拍攝他妻子Anna的左手，可見她無名指上的結婚戒指。

圖／《物理雙月刊》提供倫琴在做X射線實驗的時候，意外發現一塊小小的鉛可以阻擋X射線。

之後，他不斷用各種物質去嘗試，包括他自己和他妻子AnnaBertha的身體。

倫琴在1923年死於大腸癌，很多人認為這是因為他長年做X射線實驗的關係。

但這是不正確的，因為倫琴是使用鉛作為實驗員保護的先驅。

除了1901年的諾貝爾物理獎之外，符茲堡大學更頒授榮譽醫學博士給倫琴。

今天醫學界稱倫琴為影像診斷學之父，無數病人因為他的物理研究而得救。

1902年諾貝爾物理獎：你是電、你是光，你們解開電磁的神話 本文摘自《物理雙月刊》38卷12月號，更多文章請見物理雙月刊網站。

 國中生的科普素養閱讀平台:《科學生》，素養強化訓練今天就展開!相關標籤：X射線倫琴影像診斷學之父鉛熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論021文字分享友善列印021人體解析專欄生命奧祕編輯精選萬物之理醫療健康電影中的科學來自姊姊的愛：約兒力氣要多大，才能把弟弟的肋骨抱斷？linjunJR・2022/07/13・2833字・閱讀時間約5分鐘＋追蹤話題新番SPYXFAMILY中的媽媽約兒，是武功高強的職業殺手。

力大無窮的她曾因為不小心抱得太用力，導致弟弟的肋骨不幸斷裂。

約兒的力量究竟要多大，才能靠抱抱折斷別人的肋骨呢？約兒的力量究竟有多大，才能靠抱抱折斷別人的肋骨呢？圖／IMDb肋骨雖然是保護軀幹內重要器官的鎧甲，但比起粗壯的大腿骨等等其實是相對容易發生骨折的區域。

除了一些激烈的競技運動可能會導致肋骨出事之外，CPR過程中不當的壓胸動作也是胸骨或肋骨骨折的肇因之一。

這樣看來，單靠人力要把肋骨折斷好像並非不可能。

除了安妮亞需要擔心這個問題之外，清楚地知道「東西什麼時候會斷掉」也是許多工程師每天會遇到的挑戰。

然而這類實驗每做一次就要毀掉一塊材料，大多時候更完全沒有做實驗的可能（例如大型建築結構，或是無辜人類的肋骨）。

接下來我們便可以用一些簡單的估計，來探討人類肋骨究竟會不會在擁抱過程中意外斷裂。

安妮亞擔心跟媽媽抱抱時，肋骨可能會斷掉的這個問題。

圖／IMDb關心安妮亞的肋骨之前，我們先了解什麼是斷裂力學一般而言，固態材料受到外力時首先會產生正比於外力大小的彈性形變，外力停止之後便能恢復原狀。

硬度（Stiffness）描述的是彈性形變和外力的正比關係，也就是「外力=硬度*形變量」。

在相同的外力之下，硬度越大的材料形變越小。

外力大到某個程度時，會造成不可恢復的塑性形變，此時材料內部的微觀結構通常已經遭到破壞；外力再大一些便會造成巨觀的斷裂。

材料在斷裂前能承受的最大應力就是其強度（Strength）。

玻璃這類硬而脆的材料硬度大但強度小，也就是說它不容易形變，但應力一大就裂開；金屬類則通常有較好的強度和較大的彈性範圍，因此彈簧通常以金屬製成。

硬度跟強度是相關但獨立的概念，下面關於斷裂的討論會著重在強度的部分。

作為複雜的有機結構，骨骼的力學性質並不如上述的如此簡單。

骨骼遭受外力衝擊時可以透過局部的塑性形變來分散能量，使裂痕不易蔓延。

也就是說，是否骨折不只和力的大小有關，也和施力的速度有關。

瞬間的重擊會讓能量來不及耗散，材料因此更容易斷裂。

用吸管插手搖杯封膜時一定要快狠準便是這個道理，如果慢慢加壓只會讓塑膠封膜凹一個洞（也就是塑性形變），那不是因為力氣不夠，而是因為施力不夠快。

用吸管插手搖杯封膜，如果慢慢加壓只會讓塑膠封膜凹一個洞。

那不是因為力氣不夠，而是因為施力不夠快。

圖／Pexels但骨骼的塑性性質實在不好估計，所以先別管那麼多。

一般在實驗室中若要測量骨骼的斷裂強度，應該就是緩慢地對材料加壓直到斷裂，這樣才能獲得完整的「彈性─塑性─斷裂」過程的資料。

我們暫且假設內心溫柔的約兒擁抱親人的動作（相較於出拳攻擊）是緩慢的，只是力氣的高峰值出奇地大，所以肋骨在經歷了充分的塑性形變後才最終斷裂。

對於這類相對緩慢的擁抱，我們便可以安心地套用現有的一些測量數據。

一般人擁抱的力量和約兒有什麼不同？骨頭的部分接下來只要交給谷歌就可以了，那擁抱的力量該有多大呢？一般人抱的動作大概不會把雙臂交疊在一起，而是分別放在對方的肋骨上。

所以我們只要考慮一隻手的力氣就好，兩隻手就只是斷掉的肋骨數量乘以二而已。

如果健身房有一台以擁抱動作為發想的訓練器材，一般人用一隻手能拉起的槓片數量應該不多，可能最多十五公斤。

約兒提到她當時抱斷了弟弟的三根肋骨，意即兩隻手的力量差不多由三根肋骨扛起，也就是一根肋骨要承擔十公斤重的力。

換成物理學家用的單位，就是差不多100牛頓。

有這樣的姐姐，尤利還能順利活下來也絕非凡人。

圖／IMDb但是知道力的大小還不夠。

直覺會認為，較薄的材料比較容易折斷，同樣的材料在斷裂前能承受的力應該跟截面積呈正比。

換句話說，真正衡量斷裂強度的是單位截面積所受的力，也就是應力（壓力）的概念。

把一根肋骨的截面簡單當成一公分見方的正方形，壓力便等於：100牛頓/1公分2=106牛頓/公尺2=1百萬帕（最右邊的百萬帕是材料力學常用的應力單位。

）不過彎曲應力不只和截面積有關，還得考慮材料受力的整體結構。

肋骨下方的胸腔相對沒有什麼支撐力，所以肋骨比較像是一根兩端固定，中間懸空的橋樑，如下圖所示。

從日常經驗可以知道，這種結構中間懸空的部分L越長，或是厚度d越薄，彎曲的越嚴重。

肋骨下方的胸腔相對沒有什麼支撐力，所以肋骨比較像是一根兩端固定，中間懸空的橋樑。

圖／作者所以剛剛的應力還要再乘上一個長度對厚度的比值，才是肋骨在結構中承受的彎曲應力。

假設肋骨大約10公分長，最後的答案就是10百萬帕。

約兒有「全力」擁抱弟弟嗎？人類骨骼的彎曲強度取決於年齡、性別、個體發展差異等等，但是普遍的值落在100到200百萬帕的範圍，一比下來差了十倍以上。

雖然我們在計算中做了很多誇張的簡化，可是過程中不太可能有估計的失誤會讓最後結果差到十倍。

因此可以放心地說，一般人的擁抱不太可能將你的肋骨折斷。

可以放心地說，一般人的擁抱不太可能將你的肋骨折斷。

圖／IMDb根據維基百科上沒有來源的資料：「第1到3根肋骨斷裂前能承受大約180KG的重量，第4根到第9根相對脆弱些」。

這和我們的粗略估計大致相符，也就是每根肋骨10公斤重的擁抱力道距離肋骨骨折大約有十倍的差距。

不過別忘了，上面講的都是一般人的情況。

約兒可不是一般人。

想要對她的怪力有些概念，我們發現第十集躲避球大戰的特訓畫面中，約兒丟出的躲避球發出了明顯的音爆，表示她的球速至少來到音速340m/s。

一般人的躲避球速最快不過120km/h，也就是33m/s左右。

考慮到手臂長度差不多，手臂力量大致和球的動能成正比，也就是和球速平方成正比。

約兒的球速大約是常人的十倍，代表她的力量是驚人的百倍以上。

由此可知，約兒對親愛的弟弟已經相當手下留情了。

參考資料MartinGrigorAbrahamyan.(2017). OnthePhysicsoftheBoneFracture.InternationalJournalofClinicalandExperimentalMedicalSciences,3(36):74-77. https://www.researchgate.net/publication/321489340_On_the_Physics_of_the_Bone_Fracture 國中生的科普素養閱讀平台:《科學生》，素養強化訓練今天就展開!相關標籤：SPYXFAMILY力學擁抱間諜家家酒骨折骨頭熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論000文字分享友善列印000專欄科學傳播本土科普影視如何突破、創新？科技部邀6團隊談製作甘苦PanSci・2022/07/15・825字・閱讀時間約1分鐘＋追蹤如果民眾都不知道國家支持的科學研究在做什麼，會願意支持政府編列科研預算嗎？今日（2022/07/15）下午於民視林口數位總部，舉辦「科技部科普影視饗宴」，邀請《科學再發現》、《基因啟示》、《實習生的筆記本》、《吉娃斯愛科學》、《工藤心醫的心靈偵探事務所》、《「蜂」起「雲」湧》六部科普影片創作團隊，一同分享創作成果。

此外，科技部科教發展及國際合作司司長葉至誠也親臨現場，表達對科普的重視與期盼。

葉至誠司長認為推動科普至關重要，科技部每年花費大量的預算在科學研究上，也有許多出色的成果，但這些成果鮮少在大眾面前呈現。

透過通俗但不失精準的科普影片，向大眾說明這些研究成果與生活的連結，能讓大眾更支持研究活動。

《科學再發現》以大眾關切的議題作為切入點，深入淺出背後的科學原理，讓知識得以被活用；《基因啟示》透過貼近生活的生動解說，讓大眾能一覽最新的生物研究；《「蜂」起「雲」湧》則使用新穎VR技術，讓一般人能身歷其境理解蜜蜂對農作物授粉的重要性。

《吉娃斯愛科學》從原住民生活和文化出發，結合有趣的科學主題，不只有正確的科學知識，故事也深受小朋友喜愛；《實習生的筆記本》以實境秀呈現，以實習生的角度描寫研究生活的點點滴滴，讓一般人能一窺實驗室的奧秘；《工藤心醫的心靈偵探事務所》扣合青少年精神疾病的增長趨勢，提供青少年精神疾病相關的科普知識，以及最新的治療方法。

聽完各團隊分享後，葉至誠司長也向製作團隊請教製作的細節，說：「今天你們都是科普影片的專家，我是來向你們請益的。

」製作團隊們也分享了製作時的辛酸血淚跟成就。

最後，葉至誠司長表示：「科普的另外一個重點，就是可以讓年輕一代，能在小時候就接觸到科學教育，啟發對科技的探索。

」而科普影片，正是入門門檻不高，卻能接觸到最新科學新知的方法，期待這些科普影片成為孩子心中的創新種子，萌發未來科學世代。

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 蕭克利三人除了在辦公室討論，就連在蕭克利家中作客時，也無視於身旁的妻子，熱烈談論實驗結果。

然而他們再三確認過布拉頓的實際做法，甚至回頭從量子力學的基本學理逐步探討，結果就是想不出為什麼行不通。

直到這一天，巴丁才恍然大悟。

 巴丁帶著布拉頓到黑板前，用粉筆畫出一個個排列整齊的矽原子與周圍的電子，然後指著最上面那一列矽原子說：「有看出來這一排矽原子和下面的矽原子哪裡不一樣嗎？」 布拉頓滿臉疑惑：「不都一樣嘛？」「你再仔細看看。

」布拉頓看了一會兒，終於看出差別：「喔，你是指它們少了一顆價電子啊？但這不就是局部示意圖嗎？你只是沒畫出更上層相鄰的矽原子而已。

」 巴丁露出莫測的微笑：「那如果這已經是最表面的那層原子呢？它們上方可沒有其他矽原子提供共用的電子了。

這就是我們的盲點，沒注意到表層矽原子的價電子是不足的！」 布拉頓一時愣住，巴丁不等他想通，拿起紅色粉筆在最上層的矽原子畫了幾個電子，接著說：「你看，表層這些矽原子只要再一個價電子就能填滿最外殼層，形成穩定狀態。

所以當電子被電場吸引到矽原子的表面，便無法掙脫。

多了這些堆積不動的電子，矽晶體表層變成帶負電，與上方帶正電的金屬板形成封閉的電場，其他電子無法再被吸引上來，當然不會導電。

」 「難怪我試了各種方法，別說放大訊號了，連電流都測不到！」布拉頓恍然大悟，接著趕忙問：「所以我們該怎麼做？」 「只能想辦法打破這『表面態』，不過……我也還沒有具體辦法。

」 「沒關係，至少現在不再是瞎子摸象，知道該往什麼方向努力了。

」布拉頓渾身充滿幹勁，已經迫不及待要進行實驗。

巴丁發現蕭克利所設計的場效應電晶體，因為p型矽的表面矽原子最外層被填滿電子，導致無法導電。

圖／親子天下最開心的當然是蕭克利本人，這代表他的構想有機會起死回生。

他相信巴丁一定可以找出解決方法，加上自己也還有許多事要忙，索性放手讓他們去研究，只有偶而關心一下進度。

學者型的巴丁自然樂得不受干涉；而對布拉頓來說，巴丁的學術素養不下於蕭克利，又隨時都可以當面討論，反而更棒。

他們兩人不只是工作上的夥伴，私下也成為往來密切的好友，假日還常相約去打高爾夫球；凱利當初所期待的「大腦」與「雙手」的密切合作，如今反而在巴丁和布拉頓兩人身上實現。

最佳拍檔「大腦」與「雙手」的解謎之旅不過即便這個新最佳拍檔找出了關鍵問題的答案，但是之後的難關卻是毫不留情的一層層湧上，讓這兩人倍感吃力；事情是這樣子……。

蕭克利模型巴丁和布拉頓兩人發現矽晶體表面態的障礙比想像中的還難打破，即使把電壓提高到1千伏特、以及縮減金屬板離矽晶體表面的距離至0.1公分，仍然看不見電流變化。

巴丁甚至用液態氮冷卻矽晶體，看在超低溫下效果如何，結果導電性只增加了10%。

導線直接接觸模型布拉頓想起歐偉用光線照射矽晶體的實驗。

兩人用光線照射的結果，發現不需n型矽，直接以金屬線接觸p型矽就會有光伏效應。

於是直接全用p型矽做實驗，同時施加電場和照射光線，果然就有電流產生，但卻沒什麼放大效果。

矽晶體浸水模型布拉頓意外發現矽晶體浸到水時，竟然測到些微的放大效果。

巴丁推測水分子正極那端與表層矽原子接觸，中和了負電而降低表面態效應。

布拉頓把提供電場的金屬板改為很小的金環，放進矽晶體表面的水滴裡，再將絕緣包覆的鎢絲穿過小金環，接觸矽晶體。

結果成功在室溫下得到放大效果，雖然只有一點點，卻是一年多來的首度突破。

缺點：水分子會妨礙電波的震盪，所產生的頻率不到10Hz，根本無法傳遞聲音訊號，況且水滴容易蒸發，也不是長遠之計。

雙管齊下模型巴丁先將p型矽改為n型鍺；鍺和矽一樣是IV族元素，但價電子在更外層，比較能掙脫表面態。

同時改以有正負離子的固態介電質取代水滴，裡面直接植入小金環，果然得到更高的放大效果，只不過電流的頻率仍無法超過10Hz。

氧化層模型布拉頓在幾次實驗後，發現鍺晶體表面因為電解作用生成二氧化鍺。

由於二氧化鍺是絕緣體，代表介電質已經沒有發揮中和作用，而是靠氧化層降低表面態。

於是改用事先經過陽極處理、表面已經氧化的鍺，直接將小金環置放在氧化層上，讓鎢絲刺穿氧化層，直抵n型鍺。

他們原本希望去除介電質之後，就能產生更高的頻率，卻意外發現電流的走向與原先預期的不一樣。

無氧化層模型布拉頓試著改變電極正負方向的不同組合時，有次鎢絲還沒插上去，就不小心先觸碰到小金環，這瞬間電表竟然有反應。

照理說小金環下方是絕緣的氧化層，應該不會導電才對，他仔細檢查後才發現原來氧化層不知何時被洗掉了，也就是小金環是與鍺晶體直接接觸的！這可不得了，代表小金環已經沒有扮演提供感應電場的角色，而是將電流轉入鍺晶體而已。

這代表並不需要絕緣的氧化層，小金環也形同虛設。

布拉頓還發現小金環改接正極時，雖然電流沒有放大，但電壓放大兩倍，而且頻率高達10KHz，終於有希望取代真空管；而這一切根本沒用到蕭克利所構想的「場效應」。

反轉層模型巴丁重新思考並且得出結論：鍺晶體的表層從射極獲得電洞而變成p型鍺，與下方的n型鍺形成p－n接面，就如同歐偉那顆矽石的結構。

如果射極與集極在鍺晶體表面的接觸點彼此夠接近，來自射極的電洞有些便會跑到集極，與集極上的電子結合，帶動負極輸出更多電子，這些電子大部分會直抵基極，沿著電路循環回來，形成比射極那端還大的電流。

巴丁算出間隔最好小於0.005公分，才有明顯的放大作用，但這相當於一張紙的一半厚度，而當時最細的金屬線至少也有這三倍粗。

巴丁原以為這很難做到，沒想到布拉頓很快就想出了巧妙的辦法。

經過反覆實驗，布拉頓與巴丁終於摸索出最佳設計，接下來就是驗證奇蹟的時刻。

史上第一顆電晶體誕生1947年12月16日，布拉頓切了一塊三角形的塑膠塊，再將一片金箔貼在三角形的兩側，然後用刮鬍刀片將三角形尖端處的金箔輕劃一刀，分成兩段：一邊作為射極、一邊作為集極，兩者相距只有刀鋒那麼近。

接著他把一根迴紋針拉長充當彈簧，一端固定在塑膠塊未貼金箔那側，另一端連接到懸臂上的螺絲旋鈕，讓塑膠塊懸空掛在鍺晶體上方。

裝置到了下午終於一切就緒，布拉頓輕輕轉動螺絲，讓塑膠塊緩緩下降，直到尖端剛好觸碰到鍺晶體表面。

布拉頓示意就緒後，巴丁打開電源開關，果然出現前所未見的效果，電壓與電流都有放大，整體功率放大了一百倍。

就這樣，這個就地取材的克難裝置，成為史上第一顆電晶體。

布拉頓與巴丁的設計（左圖）以及最終完成的成品（右圖，照片為複製品），成為史上第一顆電晶體。

　圖／親子天下布拉頓興奮的擁抱巴丁，巴丁內心也激動不已，沒想到埋首兩年沒有進展，卻在最後一個月中，接連出現戲劇性的變化。

在回家的途中，布拉頓忍不住告訴共乘的同事自己剛完成這輩子最重要的實驗。

回家從不談論公事的巴丁也難得向太太透露，雖然只是輕描淡寫的一句：「我們今天有重要的發現。

」當晚布拉頓又打電話給巴丁，再次確認實驗沒有任何漏洞，突然才想到還沒通知蕭克利。

第二天，蕭克利過來實驗室看他們演示一遍，確認他們成功做出了電晶體後，告訴他們在申請專利前要先保密（布拉頓趕緊要那位共乘的同事發誓不說出去），接著他著手安排給貝爾實驗室高層的成果展示會。

12月23日，這些高階主管到場後，只見麥克風與耳機接在一個簡陋的裝置上。

當他們輪流戴上耳機，聽見清晰的說話聲音後，原有的疑慮一掃而空，紛紛向蕭克利、布拉頓與巴丁恭喜完成這革命性的發明。

隔天就要開始耶誕假期，這發明猶如意外的耶誕禮物，為原本就已輕鬆愉快的氣氛增添歡樂氣息。

在一片和樂融融的笑談聲中，沒人注意到蕭克利卸下僵硬的笑容時，臉上浮現的陰鬱表情……。

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖：蕭克利與八叛徒》，2022年7月，親子天下，未經同意請勿轉載。

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