最年輕的諾貝爾物理學獎金獲得者是英國的W·L·布拉格。1915年他和他的父親W·H·布拉格一起研究X射線在晶體表面的反射,發現了著名的布拉格關系式,面榮獲該年度的諾貝爾物理學獎,當時他才25歲。另外,量子力學的奠基人海森堡和狄拉克,發現正電子的巡德森,打破強弱相互作用中能量守恒定律的李政道等,都是在31歲時獲得諾貝爾物理學獎金的。在獲獎的科學家中,也有一些年在七十開外的人,如研究全息照相術的匈牙利出生的美國物理學家伽柏、研制出用光波染色活細胞的顯微鏡的荷蘭物理學家齊尼克等等。
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威廉·亨利·布拉格與其子威廉·勞倫斯·布拉格為英國著名物理學家,通過對X射線譜的研究,提出晶體衍射理論,建立了布拉格公式(布拉格定律),并改進了X射線分光計。
1915年諾貝爾物理學獎授予英國倫敦大學的亨利·布拉格和他的兒子英國曼徹斯特維克托利亞大學的勞倫斯·布拉格,以表彰他們用X射線對晶體結構的分析所作的貢獻。布拉格這個名字幾乎是現代結晶學的同義詞。
威廉·亨利·布拉格
威廉·亨利·布拉格(Sir William Henry Bragg ,1862—1942),英國物理學家,現代固體物理學的奠基人之一。他早年在劍橋三一學院學習數學,曾任澳大利
1895年發現X射線之后,許多物理學家認為它是一種特殊的光線——你可以用X射線拍攝木頭里的釘子或是手掌里的骨頭——其性質應該與波一致。但是沒有人能夠肯定,因為尚無人能夠確鑿無疑地證實X射線具有衍射等波特有的性質。關鍵問題是,在進行衍射試驗時,光柵縫隙的大小應該與試驗對象的波長相當。每英寸兩萬線的光柵適用于可見光。但是X射線比可見光能量大得多,這按照經典物理學的解釋,意味著其波長要短得多——可能只有可見光波長的千分之一。制作如此精細的光柵完全是不可能的。
德國物理學家馮·勞厄認為,如果人工做不出這樣的光柵,自然造化也許能行。自然界中的晶體被認為是由原子按一定規律排列而成的,每層只有幾個原子厚。勞厄覺得這些原子層的間隙可能合適,可以作為X射線衍射光柵。不過由于原子是由原子層組成的一個立體,在另一端形成的圖案將會十分復雜,就像把幾個光柵疊放在一起那樣。勞厄的老板、慕尼黑大學教授阿諾德·索末菲認為這一想法荒誕不經,勸說他不要在這上面浪費時間。但到了1912年,兩個學生證實了勞厄的預言。他們把一束X光射向硫化鋅晶體,在感光版上捕捉到了散射現象,即后來所稱的勞厄相片。感光版沖洗出來之后,他們發現了圓形排列的亮點和暗點——衍射圖。勞厄證明了X光具有波的性質!蹲匀弧冯s志把這一發現稱為“我們時代最偉大、意義最深遠的發現”。兩年后,這一發現為勞厄贏得了諾貝爾獎。
這一發現有兩個重大意義。首先,它表明了X射線是一種波,這樣科學家就可以確定它們的波長,并制作儀器對不同的波長加以分辨。(和可見光一樣,X射線具有不同的波長。)但是勞厄倡導的第二個領域結出了更為豐碩的成果。一旦獲得了波長一定的光束,研究人員就能利用X光來研究晶體光柵的空間排列:X射線晶體學成為在原子水平研究三維物質結構的首枚探測器。
現代化學奠基人之一的漢弗萊·戴維在鮑林進入加州理工學院一個世紀前就曾說過:“在人類獲取知識的過程中,新工具的運用具有超越一切的重要性。人們在各個時代取得的不同成就,其關鍵因素并非是他們的自然智力水平,而是他們所掌握的各種手段和人工資源!保厣渚晶體學將成為一種威力無窮的人工資源。
背后的理論相當簡單。研究人員面對著三個因素:波長一定的X光,結構一定的晶體光柵和衍射圖譜——三者之間存在著一種簡單的數學關系。知道了圖譜以及另一個因素,就可以推導出第三個因素。最初的許多數學和實踐技巧是由布拉格父子開發的。他們在劍橋與曼徹斯特的實驗室成為世界上進行X射線晶體學研究最著名的中心。1912年,勞厄關于X射線的論文發表之后不久,就引起了布拉格父子的關注。當時,亨利·布拉格正在利茲大學當物理學教授,勞倫斯·布拉格剛剛從劍橋大學卡文迪許實驗室畢業,留在實驗室工作,開始從事科學研究。
理論并不復雜,但在實踐中,由于衍射圖譜相當復雜,因此把晶體結構拼湊起來的過程相當耗費時間和精力。早期的儀器是自制的,質量很不穩定。晶體通常要非常大,需要經過精心的提煉,按一定角度切割,并通過精確的放置才能獲得滿意的衍射圖譜。如果成功地獲得了勞厄相片,還要一絲不茍地測量各點的位置和分布。然后才是數學計算。即使是簡單的晶體,在沒有計算機的時代,對每一個晶體結構的計算都需要花費幾個月的時間。如果晶體過于復雜,基本晶體結構單位晶胞中包含的原子數目超過十個,那么X光的衍射圖譜將異常復雜,難以破解。整個過程有點像用自制的獵槍射擊一塊裝飾用的熟鐵,然后通過分析跳彈的軌跡來推測熟鐵的形狀。
出于這些原因,研究對象只能局限于很簡單的晶體。然而,對這些簡單晶體的研究得出了令人驚訝的成果。研究人員第一次可以通過工具了解晶體中單個原子的排列,精確測量原子間的距離和角度。布拉格父子解決的第一個晶體結構是巖鹽,結果出人意料。整個晶體形成了一個巨大的柵格,每個鈉離子被六個等距離的氯離子包圍,每個氯離子被六個等距離的鈉離子包圍。沒有單獨的氯化鈉“分子”。這一發現震驚了理論化學界,立即引發了人們對鹽在溶液中行為的新思索。布拉格實驗室早期的另一個成功是發現了鉆石的結構,驗證了早先化學家的理論,它純粹是由碳原子組成的四面體。布拉格父子接著又解決了其他幾個晶體的結構,他們在勞厄之后一年分享了諾貝爾獎。
說到布拉格父子對科學的貢獻,不能不提的是X射線衍射技術對現代分子生物學發展的關鍵性作用。所謂“X射線衍射技術”,是通過晶體的X射線衍射花樣,與晶體原子排布之間的相互轉換關系(互為傅立葉變換),來精確測定原子在晶體中的空間位置。20世紀50年代初,劍橋大學卡文迪許實驗室的沃森和克里克正是在該技術的幫助下提出了DNA的雙螺旋模型。迄今為止,該技術仍是研究生物大分子結構的主要手段。
老布拉格是那種一方面堅守科學的“價值中立”,另一方面又堅信科學必將造福人類的科學家;不僅如此,作為一名社會活動家,“科學怎樣才能有益于社會”是其貫穿一生的行動主題。由于科學技術帶來的負面作用,他的信念也許遭到一些人的懷疑,但這一人文傳統有其恒久的價值,尤其是科學—技術—商業聯盟仍將主導著人類的生活,至少在可預見的未來。
在生活中,他仁慈地看待這個世界,贊成友好相處,然后獨立地走自己的路。也許出于羞怯,他似乎并不追求親密的朋友關系。從1904年到1907年,在他與盧瑟福的密切通信中(有的長達34頁)我們只看到關于科學研究的討論。他時常閱讀前輩法拉第的日記,就像讀一位朋友的來信,而內心對之極為推崇和尊重,這是一種在“精神上的緊密關系”。
他的謙卑和博愛尤其表現在對待孩子的態度上。他的基本觀點是:“孩子們必須是自由的,絕對自由!”每當孩子們就重要的問題征求他的意見時,他會顯得非常不安,“在椅子上挪來挪去,同情地嘟噥些什么,然后從椅子上站起來,試圖改變談話,直到最后感到精疲力竭”。他會說“讓我想想”,然后過一兩天,發一封經過詳細說明的建議信,其中“精心考慮了對立的觀點”;有時甚至為了表明他的中立性,提出一些離奇的建議,試圖讓孩子“自己做出判斷”而“不受他的觀點的束縛”。也許最具傳奇色彩的是,老布拉格是一位人到中年才開始研究活動的科學家,早年他在澳大利亞的一所無名大學里,“作為一名認真盡職的教師生活到42歲”,而在返回英國的“短短幾年后就成為一位科學發言人”。這究竟是怎么回事?答案是令人回味的:“答案也許就在那長期而幸福的流浪生活中!薄耙苍S在澳洲度過的繁忙、幸福的20年歲月,就像沙漠中的歲月對于一位先知一樣有價值,給了他進行從容準備的時間!薄八袝r間發現那些指引他生活的原則,整理他的思想”,一旦“有了清晰的原則,他的生活就像他的手抄本一樣深思熟慮,幾乎沒有刪改地一氣呵成”!
他的“實踐的宗教觀”是令人感興趣的:“你有一個好主意,你努力實現它;如果結果證實了你的想法,那么你就將這個結論作為更進一步的基礎。在實驗室中是如此,在教育、文學、烹調的任何訓練中都是如此,在宗教中也是如此!睂λ麃碚f,宗教信仰使他甘愿冒畢生風險假定基督是正確的,并通過終生博愛實驗去檢驗它!
威廉·勞倫斯·布拉格
威廉·勞倫斯·布拉格(Sir William Lawrence Bragg, 1890—1971),英國物理學家。1890年3月31日,勞倫斯·布拉格生于澳大利亞阿德萊德,他和其父親均為著名科學家。勞倫斯·布拉格1954—1966年擔任皇家研究所教授和所長,曾被選為中國物理學會的名譽會員。他是繼盧瑟福之后卡文迪許實驗室的第五任主任。他在綜合與組織不同學科領域的科學研究方面作出了巨大的貢獻。1915年,布拉格父子因在X射線方面的杰出成就而共同獲諾貝爾物理學獎。勞倫斯·布拉格十分重視科學教育工作,培養以及與他合作的的各國學者(包括中國學者在內)近百人。