布拉格是谁

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  李根成思 2009-03-04 00:00:00

  　　科学家 　　威廉·亨利·布拉格与其子威廉·劳伦斯·布拉格为英国物理学家，通过对X射线谱的研究，提出晶体衍射理论，建立了布拉格公式（布拉格定律），并改进了X射线分光计。 　　1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利·布拉格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，以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。布拉格这个名字几乎是现代结晶学的同义词。 　　威廉·亨利·布拉格 　　威廉·亨利·布拉格（Sir William Henry Bragg ，1862—1942），英国物理学家，现代固体物理学的奠基人之一。他早年在剑桥三一学院学习数学，曾任澳大利亚阿德莱德大学及英国利兹大学、伦敦大学教授，1940年出任学会会长。由于在使用X射线衍射研究晶体原子和分子结构方面所作出的开创性贡献，他与儿子W.L.布拉格分享了1915年诺贝尔物理学奖。父子两代同获一个诺贝尔奖，这在历史上是的。同时，他还作为一名杰出的社会活动家，在20世纪二三十年代是英国公共事务中的风云人物。 　　1895年发现X射线之后，许多物理学家认为它是一种特殊的光线——你可以用X射线拍摄木头里的钉子或是手掌里的骨头——其性质应该与波一致。但是没有人能够肯定，因为尚无人能够确凿无疑地证实X射线具有衍射等波特有的性质。关键问题是，在进行衍射试验时，光栅缝隙的大小应该与试验对象的波长相当。每英寸两万线的光栅适用于可见光。但是X射线比可见光能量大得多，这按照经典物理学的解释，意味着其波长要短得多——可能只有可见光波长的千分之一。制作如此精细的光栅完全是不可能的。 　　德国物理学家冯·劳厄认为，如果人工做不出这样的光栅，自然造化也许能行。自然界中的晶体被认为是由原子按一定规律排列而成的，每层只有几个原子厚。劳厄觉得这些原子层的间隙可能合适，可以作为X射线衍射光栅。不过由于原子是由原子层组成的一个立体，在另一端形成的图案将会十分复杂，就像把几个光栅叠放在一起那样。劳厄的老板、慕尼黑大学教授阿诺德·索末菲认为这一想法荒诞不经，劝说他不要在这上面浪费时间。但到了1912年，两个学生证实了劳厄的预言。他们把一束X光射向硫化锌晶体，在感光版上捕捉到了散射现象，即后来所称的劳厄相片。感光版冲洗出来之后，他们发现了圆形排列的亮点和暗点——衍射图。劳厄证明了X光具有波的性质。《自然》杂志把这一发现称为“我们时代Z伟大、意义Z深远的发现”。两年后，这一发现为劳厄赢得了诺贝尔奖。 　　这一发现有两个重大意义。首先，它表明了X射线是一种波，这样科学家就可以确定它们的波长，并制作仪器对不同的波长加以分辨。（和可见光一样，X射线具有不同的波长。）但是劳厄倡导的第二个领域结出了更为丰硕的成果。一旦获得了波长一定的光束，研究人员就能利用X光来研究晶体光栅的空间排列：X射线晶体学成为在原子水平研究三维物质结构的首枚探测器。 　　现代化学奠基人之一的汉弗莱·戴维在鲍林进入加州理工学院一个世纪前就曾说过：“在人类获取知识的过程中，新工具的运用具有超越一切的重要性。人们在各个时代取得的不同成就，其关键因素并非是他们的自然智力水平，而是他们所掌握的各种手段和人工资源。”X射线晶体学将成为一种威力无穷的人工资源。 　　背后的理论相当简单。研究人员面对着三个因素：波长一定的X光，结构一定的晶体光栅和衍射图谱——三者之间存在着一种简单的数学关系。知道了图谱以及另一个因素，就可以推导出第三个因素。Z初的许多数学和实践技巧是由布拉格父子开发的。他们在剑桥与曼彻斯特的实验室成为世界上进行X射线晶体学研究Z的ZX。1912年，劳厄关于X射线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·布拉格刚刚从剑桥大学卡文迪许实验室毕业，留在实验室工作，开始从事科学研究。 　　理论并不复杂，但在实践中，由于衍射图谱相当复杂，因此把晶体结构拼凑起来的过程相当耗费时间和精力。早期的仪器是自制的，质量很不稳定。晶体通常要非常大，需要经过精心的提炼，按一定角度切割，并通过精确的放置才能获得满意的衍射图谱。如果成功地获得了劳厄相片，还要一丝不苟地测量各点的位置和分布。然后才是数学计算。即使是简单的晶体，在没有计算机的时代，对每一个晶体结构的计算都需要花费几个月的时间。如果晶体过于复杂，基本晶体结构单位晶胞中包含的原子数目超过十个，那么X光的衍射图谱将异常复杂，难以破解。整个过程有点像用自制的射击一块装饰用的熟铁，然后通过分析跳弹的轨迹来推测熟铁的形状。 　　出于这些原因，研究对象只能局限于很简单的晶体。然而，对这些简单晶体的研究得出了令人惊讶的成果。研究人员diyi次可以通过工具了解晶体中单个原子的排列，精确测量原子间的距离和角度。布拉格父子解决的diyi个晶体结构是岩盐，结果出人意料。整个晶体形成了一个巨大的栅格，每个钠离子被六个等距离的氯离子包围，每个氯离子被六个等距离的钠离子包围。没有单独的氯化钠“分子”。这一发现震惊了理论化学界，立即引发了人们对盐在溶液中行为的新思索。布拉格实验室早期的另一个成功是发现了钻石的结构，验证了早先化学家的理论，它纯粹是由碳原子组成的四面体。布拉格父子接着又解决了其他几个晶体的结构，他们在劳厄之后一年分享了诺贝尔奖。 　　说到布拉格父子对科学的贡献，不能不提的是X射线衍射技术对现代分子生物学发展的关键性作用。所谓“X射线衍射技术”，是通过晶体的X射线衍射花样，与晶体原子排布之间的相互转换关系（互为傅立叶变换），来精确测定原子在晶体中的空间位置。20世纪50年代初，剑桥大学卡文迪许实验室的沃森和克里克正是在该技术的帮助下提出了DNA的双螺旋模型。迄今为止，该技术仍是研究生物大分子结构的主要手段。 　　老布拉格是那种一方面坚守科学的“价值中立”，另一方面又坚信科学必将造福人类的科学家；不仅如此，作为一名社会活动家，“科学怎样才能有益于社会”是其贯穿一生的行动主题。由于科学技术带来的负面作用，他的信念也许遭到一些人的怀疑，但这一人文传统有其恒久的价值，尤其是科学—技术—商业联盟仍将主导着人类的生活，至少在可预见的未来。 　　在生活中，他仁慈地看待这个世界，赞成友好相处，然后独立地走自己的路。也许出于羞怯，他似乎并不追求亲密的朋友关系。从1904年到1907年，在他与卢瑟福的密切通信中（有的长达34页）我们只看到关于科学研究的讨论。他时常阅读前辈法拉第的日记，就像读一位朋友的来信，而内心对之极为推崇和尊重，这是一种在“精神上的紧密关系”。 　　他的谦卑和博爱尤其表现在对待孩子的态度上。他的基本观点是：“孩子们必须是自由的，自由！”每当孩子们就重要的问题征求他的意见时，他会显得非常不安，“在椅子上挪来挪去，同情地嘟哝些什么，然后从椅子上站起来，试图改变谈话，直到Z后感到精疲力竭”。他会说“让我想想”，然后过一两天，发一封经过详细说明的建议信，其中“精心考虑了对立的观点”；有时甚至为了表明他的中立性，提出一些离奇的建议，试图让孩子“自己做出判断”而“不受他的观点的束缚”。也许Z具传奇色彩的是，老布拉格是一位人到中年才开始研究活动的科学家，早年他在澳大利亚的一所无名大学里，“作为一名认真尽职的教师生活到42岁”，而在返回英国的“短短几年后就成为一位科学发言人”。这究竟是怎么回事？答案是令人回味的：“答案也许就在那长期而幸福的流浪生活中。”“也许在澳洲度过的繁忙、幸福的20年岁月，就像沙漠中的岁月对于一位先知一样有价值，给了他进行从容准备的时间。”“他有时间发现那些指引他生活的原则，整理他的思想”，一旦“有了清晰的原则，他的生活就像他的手抄本一样深思熟虑，几乎没有删改地一气呵成”！ 　　他的“实践的宗教观”是令人感兴趣的：“你有一个好主意，你努力实现它；如果结果证实了你的想法，那么你就将这个结论作为更进一步的基础。在实验室中是如此，在教育、文学、烹调的任何训练中都是如此，在宗教中也是如此。”对他来说，宗教信仰使他甘愿冒毕生风险假定基督是正确的，并通过终生博爱实验去检验它。” 　　威廉·劳伦斯·布拉格 　　威廉·劳伦斯·布拉格（Sir William Lawrence Bragg， 1890—1971），英国物理学家。1890年3月31日，劳伦斯·布拉格生于澳大利亚阿德莱德，他和其父亲均为科学家。劳伦斯·布拉格1954—1966年担任研究所教授和所长，曾被选为ZG物理学会的名誉会员。他是继卢瑟福之后卡文迪许实验室的第五任主任。他在综合与组织不同学科领域的科学研究方面作出了巨大的贡献。1915年，布拉格父子因在X射线方面的杰出成就而共同获诺贝尔物理学奖。劳伦斯·布拉格十分重视科学教育工作，培养以及与他合作的的各国学者（包括ZG学者在内）近百人。

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