X射线晶体衍射的发现

赵继军 刘树勇

（1.北京市玉渊潭中学，北京 100038；2.首都师范大学物理系，北京 100048）

劳厄（Max Theodor Felix von Laue，1879—1960）是德国著名理论物理学家，因对X射线晶体衍射的发现而荣获1914年诺贝尔物理学奖.而这一年也被科学界看作是现代晶体学开始的一年.2014年恰逢劳厄获得诺贝尔物理学奖和现代晶体学诞生100周年以及劳厄诞辰135周年，值此之际，让我们通过回顾这一里程碑意义重大发现的历程，来缅怀这位伟大的物理学家.

1 劳厄的生平

劳厄1879年10月9日出生在德国科布伦茨附近的普法芬多夫.他的父亲是一位德国军事法官，由于父亲工作的变动，他到过德国许多地方.早在青少年时代，劳厄就开始对物理学产生了兴趣.1898年，中学毕业后，劳厄考入斯特拉斯堡大学，开始系统学习数学、物理和化学，并聆听了布劳恩（K.F.Braun）精彩的大学物理课，这进一步激发了劳厄对物理学的热情.1899年，他转学到哥廷根大学，在福格特（W.Voigt）和亚布拉罕（W.Abraham）等人的影响下，他决心献身理论物理学.两年后，他又来到慕尼黑大学，在伦琴（W.C.Röntgen）身边学习了一学期.1902年，他来到柏林大学，师从量子理论创始人之一的普朗克，（M.Planck）攻读博士学位.在这里，他有幸聆听了卢梅尔（O.Lummer）有关干涉光谱学的演讲.1904年，他以“平面平行板上干涉现象的理论”为题的论文获得博士学位.1905年秋，他回到柏林大学理论物理研究所担任普朗克的助教，并开始了自己的研究生涯.1909年，他转到慕尼黑大学任教，3年后他在此发现了X射线在晶体中的衍射现象.1912年他被苏黎世大学聘为物理学教授.1914年他来到法兰克福大学担任物理学教授，并于同年获得诺贝尔物理学奖.1916～1918年，他和维恩（W.Wien）在维尔茨堡大学一起从事军用真空管的研究.从1919～1943年，他一直担任柏林大学物理学教授.1944～1945年，他随威廉皇家物理研究所迁至海辛根.1946年，他到哥廷根担任马克斯·普朗克研究所所长和哥廷根大学名誉教授.1951年，他当选弗里兹·哈伯研究所所长，直至1958年退休.

劳厄一生在物理学方面成就斐然，研究涉及光学、晶体学、相对论和超导理论等众多领域，特别是他在1943年完成的那部脍炙人口的《物理学史》，一经问世，立即在科学界引起了巨大的反响，被翻译成多国文字而广为流传.此外，他还获得了大量的荣誉学位和各种奖章，是英国皇家学会在内的世界多个著名学术组织的成员［1］.

1960年4月24日，劳厄遭车祸，后因伤势恶化在柏林逝世，享年81岁.

2 X射线晶体衍射的发现

1895年，伦琴发现X射线之后，人们对X射线的本质一时还无法确定，直至1911年底，它还是物理学上的一个难解之谜.在此期间，科学家对此持有两种观点：一种观点认为，X射线是一种穿透性很强的中性微粒（粒子说）；另外一种观点认为，X射线是一种波长很短的电磁波（波动说）.为了弄清楚X射线的本质，物理学家们试图从实验上进行论证，这其中就包括X射线的发现者伦琴.伦琴曾经尝试多种方法，试图找出X射线的干涉现象，但都未能成功［2］.

1899年，哈加（H.Haga）和温德（C.Wind）使X射线通过一个楔形狭缝，希望能得到X射线衍射现象的证据，但没有成功.1908年，这个实验经过瓦尔特（B.Walter）和泡尔（R.Pohl）进一步改进，证明通过楔形狭缝的X射线束确实加宽了.毫无疑问，这是一个重要的实验结果，但由于这种衍射现象非常微弱，因此有人就认为，这不过是一种主观错觉罢了.后经科赫（P.Koch）对该实验照片进行光度测量和索末菲（A.Sommerfeld）根据测量结果的计算，X射线的波长上限为4×10－9cm.若想得到像光线通过光栅所产生的那样清晰的衍射现象，光栅各狭缝间的距离必须小至10－8cm的数量级，显然这是当时的光栅制造技术难以达到的.1905年，巴克拉（C.Barkla）通过实验证实X射线具有偏振性.这一发现使人们对X射线本质的认识又前进了一步.以上这些研究成果的发表，无疑都有利于X射线的波动说，但由于各种原因，它们从一开始就没有得到人们完全的认同.特别是像老布拉格（W.H.Bragg）这样的物理学家，仍然坚持微粒说，并列举出一系列无法用波动说解释的现象来维护自己的观点.

1909年，劳厄加入慕尼黑大学的理论物理研究所，担任无薪讲师.当时的慕尼黑大学作为世界上的一所名校，人才荟萃.在这里任教的有掌管理论物理研究所的理论物理学家索末菲，领导实验物理研究所的实验物理学家伦琴，还有主持矿物学研究所的晶体学家格罗特（P.Groth，国际晶体学界的权威）.这里优越的科研环境，浓厚的学术氛围，感染着年轻的劳厄.特别是这里关于X射线本质问题的探索，使得劳厄从来到慕尼黑大学伊始便注意到这个问题.另外，通过格罗特，使劳厄注意到尚未被实验所证实的晶体具有空间点阵结构的假设.这些都为他日后的重大发现创造了有利的条件.

刚到慕尼黑大学不久，索末菲便将《数学科学百科学全》第5卷中“波动光学”的撰写工作交给了劳厄.为了完成这项工作，他必须考虑晶体的结构，并找出描述晶格结构的数学表达式.为此，在格罗特的帮助下，他开始钻研有关晶体理论的知识.

1912年2月的一个晚上，随索末菲攻读博士学位的厄瓦耳德（P.P.Ewald）来拜访劳厄.他研究光波在晶体空间点阵中的行为，但遇到了一些困难，希望听听劳厄的意见.不过在当时，面对那个难题，劳厄也无能为力.虽然帮不上忙，但他们在探讨过程中，劳厄却突发奇想.敏锐的“光学直觉”使他马上领悟到，假如X射线确实是波长很短的电磁波，晶体中的原子果真排列成规则的空间点阵，并且，X射线的波长真如索末菲确定的数量级为10－9cm，这与原子间的距离（估算的数量级为10－8cm）处于同一数量级［3］，那么晶体就相当于一块天然的光栅，它应该像人造光栅一样能够产生干涉现象.就这样，劳厄把X射线的波动说与晶体空间点阵假设这两件看似毫不相干的假设巧妙地联系在了一起［4］.

接下来，劳厄需要考虑的是如何通过实验来验证自己的猜想.劳厄将自己的这一大胆设想明确地提了出来，并征求索末菲和维恩（W.Wien）等人的意见，不过得到的回答是否定的.他们认为，由于原子的热运动，必然会破坏晶体中空间点阵的规则性，根本不可能产生任何明显的衍射图像.然而，在研究所例行的卢茨咖啡馆讨论中，索末菲的新任实验助手弗里德里希（W.Friedrich）获悉之后，对劳厄的想法非常感兴趣.他认为，实验要比理论更可靠，颇值得一试，并表示愿意利用业余时间亲自用实验来检验这一猜想.不久，伦琴的博士生克尼平（P.Knipping）也自告奋勇地加入了进来.

在首次实验中，他们设计了一个相当简陋的实验设备，选用的晶体是很容易获得的硫酸铜晶体.在第1轮实验中，弗里德里希和克尼平按照劳厄的设计，把照相底片置于X射线管和硫酸铜晶体之间两侧（把晶体当作反射光栅），照射方向是随意的，在曝光约10h后，没有取得任何结果.在第2轮实验中，克尼平坚持把照相底片改放在硫酸铜晶体的后面（把晶体当作透射光栅）.他们发现，在照相底片上，沿X射线入射方向的透射斑点周围出现了一些粗大的椭圆形斑点（如图1所示）.实验成功了.

图1

图2

当索末菲获悉这一消息后，他立刻意识到这一发现的重大意义.他主动帮助他们从各方面进一步完善这项研究.弗里德里希和克尼平则利用理论物理研究所提供的一台更加精良的实验设备，替换掉硫酸铜晶体，选择沿晶轴方向对称性更高的闪锌矿等立方晶体，用X射线照射得到了带有对称性更加明显的衍射斑点的照相底片（如图2所示）.紧接着，为了解释这些衍射斑点的成因，劳厄通过将一维光栅的衍射理论推广到三维光栅情况，就得到了描述X射线晶体衍射的劳厄方程.

X射线晶体衍射的发现不但证明X射线是一种波长极短的电磁波，而且证实了晶体的周期性结构.同时，由此诞生了两门新学科：X射线谱学和X射线晶体学.劳厄等人实施的X射线晶体衍射实验，也被爱因斯坦誉为“物理学中最漂亮的实验之一”.基于这项划时代的发现，劳厄也当之无愧地获得了1914年诺贝尔物理学奖.

当有关劳厄等人重大发现的消息传到了英国以后，引起了布拉格父子的极大关注.当时老布拉格已是英国利兹大学的物理学教授，小布拉格（W.L.Bragg）还是英国剑桥大学卡文迪许实验室的研究生.在劳厄工作的基础上，父子俩推导出了著名的布拉格方程.这个方程反映了X射线波长与晶面间距之间的关系，既可以用于测定X射线的波长，又可以用于分析晶体的结构.1915年，因为用X射线对晶体结构的分析，布拉格父子获得了当年的诺贝尔物理学奖.

3 晶体研究的“利器”

19世纪，晶体的研究已经获得了长足的发展，几何晶体学基本上完善了.科学家利用群论的理论，将晶体分为6个晶系、14个空间点阵、32个点群和230个空间群.由于劳厄和布拉格父子的发现，使几何晶体学又提升到X射线晶体学的水平.

以氯化钠晶体为例，它的化学组成是氯离子和钠离子.在这两种离子之间存在静电力.X射线晶体研究表明，在每个氯离子周围排列着6个钠离子，同样，在每个钠离子周围排列着6个氯离子.它们构成了6个正八面体，连接的力是离子键.然而，这种解释使一些化学家产生了困惑，甚至有人还指责物理学家有些“外行”.进一步的研究可以说明，晶态的氯化钠中的两种离子正是通过离子键组合成一个分子.通过X射线晶体学，人们对化学键的认识得到了发展，并且使原来的定性认识，得到了定量的数据和补充.

X射线衍射方法的发展，还大大促进了生物学科的发展，从分子水平上去分析和理解生命的问题.20世纪40年代，像蛋白质和核酸之类的生物大分子结构受到关注.在剑桥大学卡文迪许实验室，小布拉格教授组织研究蛋白质的结构.他们的工作导致佩鲁茨（M.F.Perutz）和肯德鲁（J.C.Kendrew）获得1962年度的诺贝尔化学奖.他们利用X射线衍射方法于1959年测定出肌红蛋白和血红蛋白的结构.与此同时，卡文迪许实验室的克里克（F.Krick）和沃森（J.D.Watson）与剑桥大学J·T·兰德尔实验室的威尔金斯（M.H.F.Wilkins）和富兰克林（R.E.Franklin）根据晶体的衍射谱，确定了DNA的双螺旋结构.关于蛋白质和生物遗传物质的研究，导致了分子生物学的产生，为揭开生命的秘密奠定了基础.

X射线衍射的研究也影响到中国科学界.在20世纪上半叶，一些中国学者到欧美留学和进行科学研究.胡刚复、叶企孙和吴有训都在美国进行X射线的研究工作，都是获得博士学位的工作，其中吴有训的工作还为康普顿效应的论证做出了贡献.此后，他们的学生余瑞璜、陆学善、卢嘉锡和唐有祺也留学美国，从事X射线晶体学的研究.正是这些科学家回到中国后，他们发展了中国的X射线晶体的事业.

今天，现代晶体学的技术又获得发展，这自然有赖于加速器和探测器技术的快速发展.20世纪90年代以来，多波长衍射几何学的研究，使人们重新认识到劳厄衍射技术的价值［5］.

为了纪念劳厄的功绩，《自然》杂志特地撰文纪念之，并且回顾了晶体学百年之辉煌历程.例如，1971年，世界蛋白质数据库开始收集蛋白质结构的数据（至今已经积累了近10万个条目）.1978年，番茄丛矮病毒（首个完整病毒）的原子尺度上的图像完成.2013年，科学家又完成了艾滋病病毒三聚物的X射线晶体图像，由此还结束了科学家长期的争论，即关于这种蛋白质的自然形状的争论.

在现代晶体学的百年发展历程中，X射线技术发挥了重要的作用.2009年，美国斯坦福加速器中心（SLAC）的直线加速器光源开始运转，人们迎来了衍射成像的新时代.关于SLAC的直线加速器，其中包含世界上功率最大的X射线自由电子激光（XFELs，位于美国加州帕洛阿尔托市附近）发射器，它最重要的应用是用于研究物质的结构.这台装置成为生物学家的探测生物质的“利器”.这是由于SLAC的激光器可以发出极短的脉冲，用以捕捉运动的分子.强烈的激光足以捕捉生物分子，并使之成像.正是这种新的方法使生物学家扫描出潜在的药物靶标，或探讨光合作用粒子的结构，等等.正如今天的科学家所评价的，XFELs是一种颠覆性的技术，并且超越了以前的所有技术，将会产生更加深远的影响.

SLAC的直线加速器光源（LCLS）是世界上首个也是现今世界上最大的XFELs发射器.LCLS是美国能源部牵头制造的，尽管它在当时受到一些人的质疑.这个LCLS花费了4.14亿美元.只是用于LCLS的优异性能，才使人们的指责平息下来.不仅是指责声渐消，许多国家还急忙跟进，日本也建立了自己的XFELs，欧洲人则要建造更大的XFELs，并且将于2015年启动.还有一些国家也要建XFELs，这要花上几十亿美元.这些研究要集合不同领域的专家，要集成若干新技术.当然，我们有理由相信，这会大大推动人类对于自然的认识，特别是为揭开生命之谜，这些技术将会发挥重要的作用.从X射线晶体学的回顾来看，这个X射线利器也许会发挥出更大的作用，对已进入的“生物世纪”又是个好兆头.

1 苑红霞，刘战存.劳厄对晶体衍射的发现［J］.大学物理，2004（5）：47.

2 麦振洪.晶体X射线衍射的发现及其深远影响［J］.物理，2012（11）：721.

3 编译委员会编译.诺贝尔讲演全集：物理学卷1［M］.福建：福建人民出版社，2003：333.

4 杨庆余，周荣生.巧妙的构想大胆的创新——劳厄与X射线衍射的实验［J］.大学物理，2002（4）：36.

5 任重等.劳埃晶体学时代的到来［J］.生物物理学报，2001（3）：419－434.