1912-1913年,美国科学家威廉.考林杰(William David Coolidge, 1873-1975)(左图)发明了热阴极管——即真空X射线管(右图)。它可提供可靠的电子束,改善线质和穿透性,避免了含气管的不稳定性。其阴极为直热式螺旋钨丝,阳极为铜块端面镶嵌的金属靶,管内真空度不低于10-4帕。阴极发射出的电子经数万至数十万伏高压加速后撞击靶面产生X射线,大大缩短了需要曝光的时间,为促进X射线的研究起了很大作用,还为发现肺病出了很大贡献。
瑞典物理学家卡尔.西格班(Karl Manne Georg Siegbahn,1886-1978)(右图)继承和发展了莫塞莱的研究,他改进了真空泵的设计,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xx的分析。他测量波长的xx度比莫塞莱提高了1000倍。西格班的研究支持了玻尔等人把原子中电子按壳层排列的观点。他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。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,成为一部经典的科学著作。西格班获得了1924年的诺贝尔物理学奖,成为继巴克拉之后,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[5]。西格班的X射线谱仪测量精度非常之高,以至30年后还在许多方面得到应用。
凯.西格班(Kai Manne Borje Siegbahn,1918- )(左图)一直从事核能谱的研究。20世纪50年代,他和同事们用双聚焦磁式能谱仪研究放射性能谱。当时,往往会因为回旋加速器的原因不得不停下来等待放射性样品。能否用一种更容易掌握的代用品来激发放射性辐射呢?凯.西格班设想用X射线管使材料发出光电子,然后再尽可能xx地测量其结合能。这种办法曾有人作过尝试,但灵敏度不高。凯.西格班将他在核能谱方面的经验用于外光电效应,并将高分辨率仪器用于实验,在这个领域获得了重大改进。他们将新研制的测量X射线光电子能量的双聚焦高分辨率电子能谱仪用于研究电子、光子或其它粒子轰击原子体系后发射出来的电子,系统地研究了各种元素的电子结合能。后来他们又将此项技术用于化学分析的电子能谱。凯.西格班开创了一种新的分析方法—X射线光电子能谱学XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy),或化学分析电子能谱学ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)。X射线光电子能谱学是化学上研究电子结构和高分子结构、链结构分析的有力工具,西格班开创的光电子能谱学为探测物质结构提供了非常xx的方法。
由于凯.西格班在电子能谱学方面的开创性工作,他获得了1981年诺贝尔物理学奖的一半[18]。
1916年,美籍荷兰物理学家、化学家德拜(Peter Joseph Wilhelm Debye,1884-1966)(左图)和瑞士物理学家谢乐(Paul Scherrer,1890-1969)发展了用X射线研究晶体结构的方法,采用粉末状的晶体代替较难制备的大块晶体。粉末状晶体样品经X射线照射后在照相底片上可得到同心圆环的衍射图样(德拜-谢乐环)(右图),可用于鉴定样品的成分,测定晶体结构。因当时正值{dy}次世界大战,信息交流受阻,1917年,美国科学家Hull也独立提出了这一方法。德拜因利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获1936年诺贝尔化学奖[7]。