1915年诺贝尔物理学奖

1915年诺贝尔物理学奖一X射线晶体结构分析1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利布拉格(Sir William Hemy Biagg , 18621942 )和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯布拉格 (Sir William Lawience Bragg , 1890一1971 ),以表彰他彳门用X射线对晶体结构 的分析所作的贡献。1912年，劳厄关于X射线衍射的论文发表之后不久，就引起了布拉格父子 的关注当时，亨利布拉格正在利兹大学当物理学教授，劳伦斯布拉格则刚从剑 桥大学卡文迪什实验室毕业,留在该实验室工作,开始从事科学硏究。劳伦斯布拉格对X射线衍射发生兴趣,起源于他父亲的启发。对于X射线 的本性，亨利布拉格十分关注，从1907年起就一直和巴克拉公开争论X射线的 本性是粒子性还是波动性。亨利布拉格主张粒子性，并坚持这一观点。可是劳 厄所发现的X射线衍射现象却不可避免地会加重波动性的份量。对此,他感到 疑惑。1912年暑期，布拉格一家在约克郡的海滨度假时，父子俩便围绕着劳厄 的论文讨论起来。由于亨利布拉格是X射线的微粒论者，他试图用X射线的微 粒理论来解释劳厄的照片,因而他的尝试未能取得成功。劳伦斯布拉格并无成 见，当他返回剑桥后反复研究,终于领悟到这是一种波的衍射效应。他还进一步 注意到劳厄对闪锌矿晶体衍射照片所作的定量分析中存在的问题,即按照劳厄确 定的五种波长本来应该形成的某些衍射斑实际上并未在照片上出现。经过反复思 考，他摆脱了劳厄的特定波长的假设，利用原子面反射的概念(图15 - 1 ),立 刻成功地解释了劳厄的实验事实。他以更为简洁的方式清楚地解释了 X射线晶 体衍射的形成，并且提出了著名的布拉格方程:HA=ldstnO其中n是一整数，九是X射线的波长，d是原子面的间距，6是射线的掠射角。S 15-1劳伦斯布拉格的原子面反射原理U这里遇到的困难是如何说明某些斑点的消失。劳伦斯布拉格提出，衍射斑 的强度同时与反射X射线的能量和反射面的有效原子密度这两个因素有关。因 此，照片上衍射斑的强度就应该按照对应的反射X射线能量和反射面的有效原 子密度的变化形成规则的变化序列;换句话说,衍射斑强度的变化标志舂对应的 反射线能量和反射面原子密度的变化。对于闪锌矿衍射的情况，他先假设是简单 的立方晶体，计算下来发现结果不对,乃改为面心立方晶体进行计算，所得结果 正好说明了为什么劳厄照片中有些斑点消失了，这样一来，不仅证明了反射面的 假设是正确的，而且由此证明了能够用X射线来获得晶体结构特性的信息。劳伦斯布拉格在首次见到劳厄的论文之后不到四个月，就在1912年11月 11日以晶体对短波长电磁波的衍射为题向剑桥哲学学会报告了这一硏究成 果在剑桥大学化学系珀普(Pope )教授的指点下，劳伦斯布拉格用结构较为简 单的碱全属卤化物作进一步的硏究。他拍摄到了这些碱全属卤化物的X射线衍 射照片，结果表明其衍射图确实比闪锌矿简单。劳伦斯布拉格就在这一基础上 成功地对碱全属卤化物进行了完整的晶体结构分析。这时亨利布拉格也开始把注意力从研究X射线本性转移到X射线衍射对晶 体结构分析的应用。他很奇怪小布拉格在论文中为什么使用的是“短波长电磁波” 词，而劳伦斯布拉格则是因为还很难肯定衍射效应究竟是X射线造成的还是 伴随X射线的某种波动造成的,所以有意避免使用“X射线“一词。老布拉格认为, 只要从实验中检查反射线是否还是X射线就可解决，于是就立即在自己的实验 台上安置了电离室，看反射线是否和X射线一样具有电离作用。这一简便的检 查方法，正是亨利布拉格长期工作的手段。1913年1月，亨利布拉格用他的电 离室得出了肯定的结果，并在这一实验的基础上，该年3月又进一步设计制成一 台X射线分光计（图152）。他开始利用这台仪器，研究X射线的光谱分布， 波长与普朗克常数、辐射体及（A为X射线管，B为狭缝系统，C为晶体，D为 电离室）吸收体原子量之间的关系，随即又对X射线衍射作了进一步研究，他用一 波长已知的X射线求原子面的间距d,从而确定了晶体的结构。到1913年底， 布拉格父子两人已把晶体结构分析问题总结成了标准的步骤。X射线晶体结构分 析形成了_门崭新的分析技术。这时离X身寸线衍射的发现还不到两年，小布拉 格只有23岁。下面简要介绍布拉格父子的生平。图15-2亨利布拉格的X射线另光（劝X射线管，B为狭缝系统，C为晶体,D为电韶室）亨利布拉格1862年7月3日出生于坎伯兰的威斯特瓦（Westward）o他在马基特哈伯罗文法学校读书后，进入曼岛的威廉国王学院。1881年被选为剑桥大学三一学院的进修生，在著名的教师劳思（E.J.Routh）博士指导下攻读数学。1884年6月取得了优等生数学考试第一部分的第三名，次年1月转入第二 部分第一班学习。1885年有一段时间他在卡文迪什实验室学习物理学，该年年 底被选为南澳大利亚阿德莱德大学担任数学物理教授职位,后来相继担任利兹大 学的卡文迪什物理学教授（1909年一1915年），伦敦大学学院的奎恩讲席物理学 教授（1915年一1925年）,皇家硏究所的弗莱林化学教授。在第一次世界大战期间，亨利布拉格的研究课题是与测量潜水艇位置有关 的水下声音的探测与测量。他的这项工作得到了奖赏，这也是他科学生涯的顶峰。 他于1917年被任命为大英帝国骑士团司令官，1920年封为爵士，1931年获功勋 奖章。从1907年起他一直是皇家学会会员，然后在1935年被选为皇家学会主席。他曾是十六所大学的名管博士，而且是国外一些主要学会的会员。他获得过 许多奖章和奖全，其中应提到的是1916年的伦福德奖章和1930年由首相授予的 柯普利奖章。亨利布拉格一生成果累累，他于1942年3月10日逝世。劳伦斯布拉格1890年3月13日出生于南澳大利亚的阿德菜德。他在出生 地的圣彼得学院接受早年教育后，进入阿德莱德大学学习z 1908年以优等成绩 获得数学学位。1909年随父去英国，考取了艾伦奖学全进入剑桥大学三一学院, 并于1912年在自然科学考试中获优等成绩。就在这一年秋天，他开始研究劳厄 发现的X射线衍射现象，并于11月在剑桥哲学学会学报上发表了关于这个 课题的第一篇论文。1914年劳伦斯布拉格被选为三一学院自然科学研究员和讲师，同年荣获巴 纳德奖章。从1912年到1914年和父亲一起工作，研究的成果在1915年以摘要 形式发表，题为“X射线和晶体结构二从这年到1919年，劳伦斯布拉格担任法 国声波测绘地图总局的技术顾问，1918年获得大英帝国勋章和军功十字勋章。1919年任曼彻斯特大学的兰沃西荣管物理学教授一直31937年。他在1921年 被选为皇家学会会员，19371938年任国家物理实验室主任,这是英国专管 计量工作的科学机构。从1938到1953年任剑桥大学卡文迪什实验物理学教授。1958年到1960年任频率顾问委员会主席。他于1941年被封为爵士 z并获剑桥 大学文学硕士学位。他获得都柏林大学、利兹大学、曼彻斯特大学、里斯本大学、 巴黎大学、布鲁塞尔大学、列日大学、达勒姆大学的荣管科学博士学位，科隆大 学的荣管哲学博士学位，圣安得鲁斯大学的荣管法律博士学位。他是英国很多团 体的名管成员，同时又是美国、法国、瑞典、中虱荷兰、比利时等国的科学院 名管院士，还是法国矿物和结晶学会名管会员。劳伦斯布拉格于1931年获英国皇家学会的休斯奖章,1946年获皇家学会的 皇家奖章,1948年获美国矿物学会的罗布林奖章。劳伦斯布拉格和他父亲在1915 年发表了著名的论文后又合写了许多关于晶体结构的科学论文：结晶状态 （1934年），电学（1936年），矿物的原子结构（1937年劳伦斯布拉格后来的主要兴趣是应用X射线分析蛋白质分子的结构,这项 工作先是在剑桥大学的卡文迪什实验室进行，后来他在皇家研究所戴维-法拉第 实验室时继续了这项研究。这项研究获得了巨大成功，第一次确定了生命物质极 其复杂的分子结构。劳伦斯布拉格年仅25岁时就荣获了诺贝尔奖，他是历史上最年轻的诺贝尔 物理学奖获奖者。1965年12月在斯德哥尔摩特意举行了庆贺他获得诺贝尔奖五 十周年典礼。亨利布拉格和劳伦斯布拉格在1913年一1914年的工作中创立了一个极重 要和极有意义的科学分支一X射线晶体结构分析。如果说劳厄和他的同事们发 现了 X射线在晶体中的衍射，从而证明了 X射线的波动特性,那么，利用X射 线系统地探测晶体结构，则应归功于布拉格父子。这项成果受到了科技界极大的 关注,在他们成果发表之后的第三年即授予诺贝尔物理学奖就证明了这一点。