歷史 物理

1917年諾貝爾物理獎:查理・巴克拉

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-05-01
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  • 1917年的諾貝爾物理獎授與查理・巴克拉(Charles Barkla),以表揚他在進行X射線晶體散射實驗時發現了各種原子特有的發射光譜(emission spectrum)。
    19世紀末,科學家們仍然未理解原子的內部結構。科學家知道不同元素的化學特別都不一樣,但是並不清楚這些差異的原因。
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    [查理・巴克拉的諾貝爾獎官方照片。]
     
    今天我們知道,每個元素的原子擁有不同的電子能階結構。如果原子感受到外來的能量,例如被高能量的X射線照射,一些電子就會被激發,脫離原子核的吸引範圍,這個過程叫做電離。被電離了的離子中的其他電子就會補充能階空出來的位置,並放出相等於能階之間的能量差的光子(大多為X射線),這就是光譜的發射線(emission lines)。

    巴克拉把X射線照射到不同的元素之上,再測量散射出來的X射線強度。他發現除了1914年諾貝爾物理獎得主范勞厄發現的X射線繞射光譜之外,同時探測到另外一種X射線光譜,他稱之為二級光譜(secondary spectrum)。跟繞射光譜不同的是,二級光譜的強度不受測量角度影響,在所有方向都是一樣強的,亦沒有極化的現象。
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    [巴克拉的論文裡的圖解,B和A(即後來改稱的K和L)分別就是能量較高和較低的光譜。Barkla and Sadler (1909).]
     
    巴克拉發現,每種元素的二級光譜都是不同的,因此測量這種X射線光譜,就能識別各種元素。他亦發現,較重的元素的光譜能量比較強,譜線亦較多,較易辨識。巴克拉成功分辨出原子量高於27的原子的二級光譜。

    除了發射特性之外,巴克拉亦研究了這種光譜的吸收特性。他發現發射出二級光譜的原子,同時也是吸收同一個二級光譜的輻射最有效的原子。這些特點顯示二級光譜是從原子本身發射出來的,所以我們就改稱二級光譜為發射光譜。由於每個元素的電子能階結構都不相同,每個元素的發射光譜也各不相同,我們也就可以利用發射光譜去分辨不同的元素。

    巴克拉發現了兩種不同的發射光譜。他把能量較高的光譜叫做K-series、能量較低的叫做L-series。巴克拉以英文字母K和L而非A開始命名這些光譜,有說是因為他使用了自己的名字Barkla之中的「kl」。不過,他在論文中指出「比這兩種輻射有更強吸收性和穿透性的輻射很有可能存在」。

    巴克拉獲頒諾貝爾獎時,正在繼續發射光譜的研究。他在諾貝爾講座中說他發現了比K-series能量更高的J-series(J是K的前一個字母)發射光譜。現在我們知道這是不可能的,因為K-series就是電子跳到能量最低的能階所放出的發射光譜、L-series則是電子跳到能量第二低的能階的發射光譜。因此,不可能有比K-series的能量差更大的電子跳躍。

    巴古拉的發現對物理學家研究原子的電子結構非常重要。測量各種元素的發射光譜,我們就可以重構各電子能階之間的能量差。以後我們介紹波耳(Niels Bohr)的時候,會再繼續討論電子結構。
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