x射线与诺贝尔奖

X射线与诺贝尔奖

2009-10-19 12:58

1895年12月28日，德国著名物理学家伦琴发现了x射线，由此荣获1901年也是首届诺贝尔物理学奖。据不完全统计，从x射线发现以来的100多年间，借助于x射线分析取得重大成就者多达几十人。利用一种实验手段而获得如此丰硕的科研成果，这是科学史上史无前例的奇迹。值此诺贝尔奖颁奖百年之际，本文对此作一概述。

l 物理学奖

1896年，法国物理学家贝克勒尔受伦琴射线(x射线)的启发，发现了“铀射线”。不久，居里夫妇又发现了放射性元素钋和镭，为人们认识原子结构提供了可靠的事实依据。他们因此分享了1903年诺贝尔物理学奖。1897年，英国的J·J·汤姆逊在关于气体导电性研究中，借助x

射线最终发现了电子，进一步证明了原子的可分性，由此他荣获了1906年的诺贝尔物理学奖。劳厄在1912年终于揭开了X射线的本质。他通过x射线在晶体中的衍射，证明了它是一种波长很短的电磁波，并从一维点阵对x射线的衍射出发，推导出了决定晶体衍射方向的劳厄方程。劳厄的工作不仅使空间点阵假说成为由确凿实验证明的科学理论，而且开创了x射线晶体结构分析的新纪元。人们根据x射线衍射方向可以确定晶胞的形状和大小，根据衍射强度还可以确定分子、原子在晶体中的分布位置，使X射线成为人类探索微观物质结构的强有力的武器。劳厄获得了1914年诺贝尔物理学奖。在劳厄研究的基础上，英国的布拉格父子从1913年起，利用x射线测定了金刚石、硫化锌、方解石等晶体的结构，并改进了劳厄方程，提出了著名的布拉格公式：2dsin0=n入。从而奠定了X射线摄谱学的基础，大大促进了晶体物理学的发展。利用x射线可以了解晶体内部原子的排列方式、离子团结构、原子大小及核间距等。布拉格父子还根据晶体密度精确测定了阿佛加德罗常数。由此，他们荣获了1915年的诺贝尔物理学奖。英国的巴克拉由于发现了标识元素的次级x射线，成为X射线波谱学的奠基者，获得了1917年的诺贝尔物理学奖。瑞典物理学家西格班根据布拉格公式，探明了各种元素的x光谱，确立了x射线光谱学，荣获了1924年诺贝尔物理学奖。美国的康普顿受巴克拉启发，与我国物理学家吴有训合作，于1923年发现了x射线经轻靶散射后波长移动的现象(康普顿一吴有训效应)，证明了微观粒子碰撞过程中仍然遵守能量和动量守恒定律。康普顿由此获得了1927年诺贝尔物理学奖。1934年，前苏联的切连科夫发现了x射线

照射晶体或液态物质时会发出微弱的蓝光，即切连科夫辐射，获得了1958年诺贝尔物理学奖；1958年，美国的霍夫斯塔特完成了X射线的无反冲共振吸收等成就而荣获了1961年诺贝尔物理学奖；瑞典的西格巴恩研制出x光电子能谱仪，开拓了光电子能谱学的新领域而获得1981年的诺贝尔物理学奖。

2 化学奖

1916．1917年间，荷兰的物理化学家德拜等发明了x射线粉末衍射法，成功地测定了合金、7一黄铁矿等复杂晶体的结构，大大扩展了对物质结构分析的范围，同时由于分子极性的研究，他被授于1936年诺贝尔化学奖。借助于x射线分析，人们的视觉深入到晶体内部的结构，大大推动了结构化学、生物化学、晶体化学的发展，也为量子化学的发展提供了大量可靠的实验依据。20世纪20～30年代，人们利用X射线结构分析，完成了数以百计的无机盐、金属配合物和一系列硅酸盐的结构测定，认识到金属的紧密堆积原理和原子间作用力的特征。证实了苯环的六角形平面结构，测定了苯环和石墨平面结构中碳碳键长。美国著名化学家鲍林通过对大量离子化合物的X射线分析，推算出了各种离子半径，并总结出形成离子化合物的五条规则，在此基础上阐明了化学键的本质，提出了蛋白质DNA结构。由于他在结构化学领域的杰出成就而获得了1954年诺贝尔化学奖。1957年，英国生物学家肯德鲁用特殊x射线衍射技术及电子计算机测定了鲸肌红蛋白的结构，阐明了这种蛋白质的螺旋结构中氨基酸单位的排列，得到了球蛋白晶体的第一个三维电子密度分布图，使人们第一次清楚地看到了蛋白质分子的立体图像。

英国化学家佩鲁茨与肯德鲁合作，于1957年又完成了马血蛋白的结构测定，从而开创了生物化学发展的新阶段，在分子和原子水平上，使人们对生物的生理作用有了更深刻的认识。为此，他们荣获了1962年诺贝尔化学奖。1912年，科学家发现晶体衍射效应，获得了五水硫酸铜及硫化锌的衍射花样。从此，由衍射数据测定三维结构的x射线晶体学得以迅速发展，成就蜚然。英国女化学家霍奇金在1942～1949年间，完成了对晶状青霉素的结构分析。1948年又与同事合作拍摄了维生素B，2的第一张X射线衍射图。其后经过十年的努力，终于阐明了这个复杂分子的立体结构和原子排布，为人工合成B，：奠定了基础。由于她在分析复杂分子结构方面做出的杰出贡献而荣获了1964年诺贝尔化学奖。1953～1963年间，美国化学家利普斯科姆借助x射线结构分析和其它方法，终于搞清了硼烷和碳硼烷的结构，提出了三中心键的概念，总结了硼原子的五种成键特征，从而获得了1976年诺贝尔化学奖。英国化学家桑格和美国化学家吉尔伯特也是借助于x射线分析法，分别确定了胰岛素分子结构和DNA核苷酸顺序以及基因结构，获得了1980年诺贝尔化学奖。英国生物化学家克卢格因将x射线衍射技术与电子显微技术相结合，发明了“显微影像重组技术”，以及在结构分子生物学方面的研究成果而荣获1982年诺贝尔化学奖；美国化学家豪普特曼和卡尔，因开发了应用x射线衍射确定物质晶体结构的直接计算法而荣获1985年诺贝尔化学奖；1988年，米歇尔等三位德国生物化学家因用x射线衍射测定了光合中心膜蛋白一色素复合体的晶体结构，对、阐明光合作用的光化学反应的本质做出了极其重要的贡献而荣获诺贝尔化学奖。

3 生理学及医学奖

1951～1953年间，美国的生物物理学家华特生和英国化学家克里科利用x射线分析研究了脱氧核糖核酸DNA的结构，提出了DNA分子的双螺旋结构模型，从此揭开了分子生物学研究的序幕，为分子遗传学的发展奠定了基础。它被认为是20世纪自然科学的最重大突破之一，他们由此荣获了1962年诺贝尔生理学及医学奖。美国生物学家科马克和英国的豪斯菲尔德利用计算机与x射线扫描技术相结合，创造了一种崭新的诊断技术cT，能够把普通x射线技术不能显示或难以显示的人体各组织的某一断层清晰地显示出来，是x射线照像技术的重大发展，也是医疗领域的一项重大突破，x射线诊断技术在保障人类健康方面再创辉煌。正是这项新技术的发明，他们分享了1979年诺贝尔生理医学奖。

近20年来，x射线结构分析采用先进的衍射仪(如四圆衍射仪)与电子计算机技术及相应的计算软件相结合，可靠性和精密度都大大提高，它与核磁共振、质谱、电子衍射、中子衍射等仪器相结合，使人们在晶体结构、分子结构、化学键、医疗诊断等方面获得了更多的信息，大大加深了对微观世界的认识。而且随着科学技术的进一步发展，x射线在关于宇宙组成与演化、物质结构和生命科学三大前沿领域中，正日益发挥着越来越大的作用。x射线的发现与应用不仅是物理学的骄傲，也是化学、生物学、医学乃至整个自然科学的伟大创举。值此诺贝尔奖颁奖百年庆典之际，我们简要列举了它在现代科学发展中的作用，以缅