趙繼軍 劉樹勇

（1.北京市玉淵潭中學(xué)，北京 100038；2.首都師范大學(xué)物理系，北京 100048）

勞厄（Max Theodor Felix von Laue，1879—1960）是德國(guó)著名理論物理學(xué)家，因?qū)射線晶體衍射的發(fā)現(xiàn)而榮獲1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).而這一年也被科學(xué)界看作是現(xiàn)代晶體學(xué)開始的一年.2014年恰逢勞厄獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和現(xiàn)代晶體學(xué)誕生100周年以及勞厄誕辰135周年，值此之際，讓我們通過(guò)回顧這一里程碑意義重大發(fā)現(xiàn)的歷程，來(lái)緬懷這位偉大的物理學(xué)家.

1 勞厄的生平

勞厄1879年10月9日出生在德國(guó)科布倫茨附近的普法芬多夫.他的父親是一位德國(guó)軍事法官，由于父親工作的變動(dòng)，他到過(guò)德國(guó)許多地方.早在青少年時(shí)代，勞厄就開始對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了興趣.1898年，中學(xué)畢業(yè)后，勞厄考入斯特拉斯堡大學(xué)，開始系統(tǒng)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)，并聆聽了布勞恩（K.F.Braun）精彩的大學(xué)物理課，這進(jìn)一步激發(fā)了勞厄?qū)ξ锢韺W(xué)的熱情.1899年，他轉(zhuǎn)學(xué)到哥廷根大學(xué)，在福格特（W.Voigt）和亞布拉罕（W.Abraham）等人的影響下，他決心獻(xiàn)身理論物理學(xué).兩年后，他又來(lái)到慕尼黑大學(xué)，在倫琴（W.C.R?ntgen）身邊學(xué)習(xí)了一學(xué)期.1902年，他來(lái)到柏林大學(xué)，師從量子理論創(chuàng)始人之一的普朗克，（M.Planck）攻讀博士學(xué)位.在這里，他有幸聆聽了盧梅爾（O.Lummer）有關(guān)干涉光譜學(xué)的演講.1904年，他以“平面平行板上干涉現(xiàn)象的理論”為題的論文獲得博士學(xué)位.1905年秋，他回到柏林大學(xué)理論物理研究所擔(dān)任普朗克的助教，并開始了自己的研究生涯.1909年，他轉(zhuǎn)到慕尼黑大學(xué)任教，3年后他在此發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象.1912年他被蘇黎世大學(xué)聘為物理學(xué)教授.1914年他來(lái)到法蘭克福大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)教授，并于同年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1916～1918年，他和維恩（W.Wien）在維爾茨堡大學(xué)一起從事軍用真空管的研究.從1919～1943年，他一直擔(dān)任柏林大學(xué)物理學(xué)教授.1944～1945年，他隨威廉皇家物理研究所遷至海辛根.1946年，他到哥廷根擔(dān)任馬克斯·普朗克研究所所長(zhǎng)和哥廷根大學(xué)名譽(yù)教授.1951年，他當(dāng)選弗里茲·哈伯研究所所長(zhǎng)，直至1958年退休.

勞厄一生在物理學(xué)方面成就斐然，研究涉及光學(xué)、晶體學(xué)、相對(duì)論和超導(dǎo)理論等眾多領(lǐng)域，特別是他在1943年完成的那部膾炙人口的《物理學(xué)史》，一經(jīng)問(wèn)世，立即在科學(xué)界引起了巨大的反響，被翻譯成多國(guó)文字而廣為流傳.此外，他還獲得了大量的榮譽(yù)學(xué)位和各種獎(jiǎng)?wù)?，是英?guó)皇家學(xué)會(huì)在內(nèi)的世界多個(gè)著名學(xué)術(shù)組織的成員［1］.

1960年4月24日，勞厄遭車禍，后因傷勢(shì)惡化在柏林逝世，享年81歲.

2 X射線晶體衍射的發(fā)現(xiàn)

1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后，人們對(duì)X射線的本質(zhì)一時(shí)還無(wú)法確定，直至1911年底，它還是物理學(xué)上的一個(gè)難解之謎.在此期間，科學(xué)家對(duì)此持有兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為，X射線是一種穿透性很強(qiáng)的中性微粒（粒子說(shuō)）；另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為，X射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波（波動(dòng)說(shuō)）.為了弄清楚X射線的本質(zhì)，物理學(xué)家們?cè)噲D從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行論證，這其中就包括X射線的發(fā)現(xiàn)者倫琴.倫琴曾經(jīng)嘗試多種方法，試圖找出X射線的干涉現(xiàn)象，但都未能成功［2］.

1899年，哈加（H.Haga）和溫德（C.Wind）使X射線通過(guò)一個(gè)楔形狹縫，希望能得到X射線衍射現(xiàn)象的證據(jù)，但沒有成功.1908年，這個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)瓦爾特（B.Walter）和泡爾（R.Pohl）進(jìn)一步改進(jìn)，證明通過(guò)楔形狹縫的X射線束確實(shí)加寬了.毫無(wú)疑問(wèn)，這是一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但由于這種衍射現(xiàn)象非常微弱，因此有人就認(rèn)為，這不過(guò)是一種主觀錯(cuò)覺罷了.后經(jīng)科赫（P.Koch）對(duì)該實(shí)驗(yàn)照片進(jìn)行光度測(cè)量和索末菲（A.Sommerfeld）根據(jù)測(cè)量結(jié)果的計(jì)算，X射線的波長(zhǎng)上限為4×10－9cm.若想得到像光線通過(guò)光柵所產(chǎn)生的那樣清晰的衍射現(xiàn)象，光柵各狹縫間的距離必須小至10－8cm的數(shù)量級(jí)，顯然這是當(dāng)時(shí)的光柵制造技術(shù)難以達(dá)到的.1905年，巴克拉（C.Barkla）通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)X射線具有偏振性.這一發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)X射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)又前進(jìn)了一步.以上這些研究成果的發(fā)表，無(wú)疑都有利于X射線的波動(dòng)說(shuō)，但由于各種原因，它們從一開始就沒有得到人們完全的認(rèn)同.特別是像老布拉格（W.H.Bragg）這樣的物理學(xué)家，仍然堅(jiān)持微粒說(shuō)，并列舉出一系列無(wú)法用波動(dòng)說(shuō)解釋的現(xiàn)象來(lái)維護(hù)自己的觀點(diǎn).

1909年，勞厄加入慕尼黑大學(xué)的理論物理研究所，擔(dān)任無(wú)薪講師.當(dāng)時(shí)的慕尼黑大學(xué)作為世界上的一所名校，人才薈萃.在這里任教的有掌管理論物理研究所的理論物理學(xué)家索末菲，領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)物理研究所的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家倫琴，還有主持礦物學(xué)研究所的晶體學(xué)家格羅特（P.Groth，國(guó)際晶體學(xué)界的權(quán)威）.這里優(yōu)越的科研環(huán)境，濃厚的學(xué)術(shù)氛圍，感染著年輕的勞厄.特別是這里關(guān)于X射線本質(zhì)問(wèn)題的探索，使得勞厄從來(lái)到慕尼黑大學(xué)伊始便注意到這個(gè)問(wèn)題.另外，通過(guò)格羅特，使勞厄注意到尚未被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的晶體具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的假設(shè).這些都為他日后的重大發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了有利的條件.

剛到慕尼黑大學(xué)不久，索末菲便將《數(shù)學(xué)科學(xué)百科學(xué)全》第5卷中“波動(dòng)光學(xué)”的撰寫工作交給了勞厄.為了完成這項(xiàng)工作，他必須考慮晶體的結(jié)構(gòu)，并找出描述晶格結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表達(dá)式.為此，在格羅特的幫助下，他開始鉆研有關(guān)晶體理論的知識(shí).

1912年2月的一個(gè)晚上，隨索末菲攻讀博士學(xué)位的厄瓦耳德（P.P.Ewald）來(lái)拜訪勞厄.他研究光波在晶體空間點(diǎn)陣中的行為，但遇到了一些困難，希望聽聽勞厄的意見.不過(guò)在當(dāng)時(shí)，面對(duì)那個(gè)難題，勞厄也無(wú)能為力.雖然幫不上忙，但他們?cè)谔接戇^(guò)程中，勞厄卻突發(fā)奇想.敏銳的“光學(xué)直覺”使他馬上領(lǐng)悟到，假如X射線確實(shí)是波長(zhǎng)很短的電磁波，晶體中的原子果真排列成規(guī)則的空間點(diǎn)陣，并且，X射線的波長(zhǎng)真如索末菲確定的數(shù)量級(jí)為10－9cm，這與原子間的距離（估算的數(shù)量級(jí)為10－8cm）處于同一數(shù)量級(jí)［3］，那么晶體就相當(dāng)于一塊天然的光柵，它應(yīng)該像人造光柵一樣能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象.就這樣，勞厄把X射線的波動(dòng)說(shuō)與晶體空間點(diǎn)陣假設(shè)這兩件看似毫不相干的假設(shè)巧妙地聯(lián)系在了一起［4］.

接下來(lái)，勞厄需要考慮的是如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證自己的猜想.勞厄?qū)⒆约旱倪@一大膽設(shè)想明確地提了出來(lái)，并征求索末菲和維恩（W.Wien）等人的意見，不過(guò)得到的回答是否定的.他們認(rèn)為，由于原子的熱運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)破壞晶體中空間點(diǎn)陣的規(guī)則性，根本不可能產(chǎn)生任何明顯的衍射圖像.然而，在研究所例行的盧茨咖啡館討論中，索末菲的新任實(shí)驗(yàn)助手弗里德里希（W.Friedrich）獲悉之后，對(duì)勞厄的想法非常感興趣.他認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)要比理論更可靠，頗值得一試，并表示愿意利用業(yè)余時(shí)間親自用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)這一猜想.不久，倫琴的博士生克尼平（P.Knipping）也自告奮勇地加入了進(jìn)來(lái).

在首次實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，選用的晶體是很容易獲得的硫酸銅晶體.在第1輪實(shí)驗(yàn)中，弗里德里希和克尼平按照勞厄的設(shè)計(jì)，把照相底片置于X射線管和硫酸銅晶體之間兩側(cè)（把晶體當(dāng)作反射光柵），照射方向是隨意的，在曝光約10h后，沒有取得任何結(jié)果.在第2輪實(shí)驗(yàn)中，克尼平堅(jiān)持把照相底片改放在硫酸銅晶體的后面（把晶體當(dāng)作透射光柵）.他們發(fā)現(xiàn)，在照相底片上，沿X射線入射方向的透射斑點(diǎn)周圍出現(xiàn)了一些粗大的橢圓形斑點(diǎn)（如圖1所示）.實(shí)驗(yàn)成功了.

圖1

圖2

當(dāng)索末菲獲悉這一消息后，他立刻意識(shí)到這一發(fā)現(xiàn)的重大意義.他主動(dòng)幫助他們從各方面進(jìn)一步完善這項(xiàng)研究.弗里德里希和克尼平則利用理論物理研究所提供的一臺(tái)更加精良的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，替換掉硫酸銅晶體，選擇沿晶軸方向?qū)ΨQ性更高的閃鋅礦等立方晶體，用X射線照射得到了帶有對(duì)稱性更加明顯的衍射斑點(diǎn)的照相底片（如圖2所示）.緊接著，為了解釋這些衍射斑點(diǎn)的成因，勞厄通過(guò)將一維光柵的衍射理論推廣到三維光柵情況，就得到了描述X射線晶體衍射的勞厄方程.

X射線晶體衍射的發(fā)現(xiàn)不但證明X射線是一種波長(zhǎng)極短的電磁波，而且證實(shí)了晶體的周期性結(jié)構(gòu).同時(shí)，由此誕生了兩門新學(xué)科：X射線譜學(xué)和X射線晶體學(xué).勞厄等人實(shí)施的X射線晶體衍射實(shí)驗(yàn)，也被愛因斯坦譽(yù)為“物理學(xué)中最漂亮的實(shí)驗(yàn)之一”.基于這項(xiàng)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，勞厄也當(dāng)之無(wú)愧地獲得了1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

當(dāng)有關(guān)勞厄等人重大發(fā)現(xiàn)的消息傳到了英國(guó)以后，引起了布拉格父子的極大關(guān)注.當(dāng)時(shí)老布拉格已是英國(guó)利茲大學(xué)的物理學(xué)教授，小布拉格（W.L.Bragg）還是英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的研究生.在勞厄工作的基礎(chǔ)上，父子倆推導(dǎo)出了著名的布拉格方程.這個(gè)方程反映了X射線波長(zhǎng)與晶面間距之間的關(guān)系，既可以用于測(cè)定X射線的波長(zhǎng)，又可以用于分析晶體的結(jié)構(gòu).1915年，因?yàn)橛肵射線對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的分析，布拉格父子獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

3 晶體研究的“利器”

19世紀(jì)，晶體的研究已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，幾何晶體學(xué)基本上完善了.科學(xué)家利用群論的理論，將晶體分為6個(gè)晶系、14個(gè)空間點(diǎn)陣、32個(gè)點(diǎn)群和230個(gè)空間群.由于勞厄和布拉格父子的發(fā)現(xiàn)，使幾何晶體學(xué)又提升到X射線晶體學(xué)的水平.

以氯化鈉晶體為例，它的化學(xué)組成是氯離子和鈉離子.在這兩種離子之間存在靜電力.X射線晶體研究表明，在每個(gè)氯離子周圍排列著6個(gè)鈉離子，同樣，在每個(gè)鈉離子周圍排列著6個(gè)氯離子.它們構(gòu)成了6個(gè)正八面體，連接的力是離子鍵.然而，這種解釋使一些化學(xué)家產(chǎn)生了困惑，甚至有人還指責(zé)物理學(xué)家有些“外行”.進(jìn)一步的研究可以說(shuō)明，晶態(tài)的氯化鈉中的兩種離子正是通過(guò)離子鍵組合成一個(gè)分子.通過(guò)X射線晶體學(xué)，人們對(duì)化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)得到了發(fā)展，并且使原來(lái)的定性認(rèn)識(shí)，得到了定量的數(shù)據(jù)和補(bǔ)充.

X射線衍射方法的發(fā)展，還大大促進(jìn)了生物學(xué)科的發(fā)展，從分子水平上去分析和理解生命的問(wèn)題.20世紀(jì)40年代，像蛋白質(zhì)和核酸之類的生物大分子結(jié)構(gòu)受到關(guān)注.在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，小布拉格教授組織研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu).他們的工作導(dǎo)致佩魯茨（M.F.Perutz）和肯德魯（J.C.Kendrew）獲得1962年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).他們利用X射線衍射方法于1959年測(cè)定出肌紅蛋白和血紅蛋白的結(jié)構(gòu).與此同時(shí)，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的克里克（F.Krick）和沃森（J.D.Watson）與劍橋大學(xué)J·T·蘭德爾實(shí)驗(yàn)室的威爾金斯（M.H.F.Wilkins）和富蘭克林（R.E.Franklin）根據(jù)晶體的衍射譜，確定了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu).關(guān)于蛋白質(zhì)和生物遺傳物質(zhì)的研究，導(dǎo)致了分子生物學(xué)的產(chǎn)生，為揭開生命的秘密奠定了基礎(chǔ).

X射線衍射的研究也影響到中國(guó)科學(xué)界.在20世紀(jì)上半葉，一些中國(guó)學(xué)者到歐美留學(xué)和進(jìn)行科學(xué)研究.胡剛復(fù)、葉企孫和吳有訓(xùn)都在美國(guó)進(jìn)行X射線的研究工作，都是獲得博士學(xué)位的工作，其中吳有訓(xùn)的工作還為康普頓效應(yīng)的論證做出了貢獻(xiàn).此后，他們的學(xué)生余瑞璜、陸學(xué)善、盧嘉錫和唐有祺也留學(xué)美國(guó)，從事X射線晶體學(xué)的研究.正是這些科學(xué)家回到中國(guó)后，他們發(fā)展了中國(guó)的X射線晶體的事業(yè).

今天，現(xiàn)代晶體學(xué)的技術(shù)又獲得發(fā)展，這自然有賴于加速器和探測(cè)器技術(shù)的快速發(fā)展.20世紀(jì)90年代以來(lái)，多波長(zhǎng)衍射幾何學(xué)的研究，使人們重新認(rèn)識(shí)到勞厄衍射技術(shù)的價(jià)值［5］.

為了紀(jì)念勞厄的功績(jī)，《自然》雜志特地撰文紀(jì)念之，并且回顧了晶體學(xué)百年之輝煌歷程.例如，1971年，世界蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)開始收集蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)（至今已經(jīng)積累了近10萬(wàn)個(gè)條目）.1978年，番茄叢矮病毒（首個(gè)完整病毒）的原子尺度上的圖像完成.2013年，科學(xué)家又完成了艾滋病病毒三聚物的X射線晶體圖像，由此還結(jié)束了科學(xué)家長(zhǎng)期的爭(zhēng)論，即關(guān)于這種蛋白質(zhì)的自然形狀的爭(zhēng)論.

在現(xiàn)代晶體學(xué)的百年發(fā)展歷程中，X射線技術(shù)發(fā)揮了重要的作用.2009年，美國(guó)斯坦福加速器中心（SLAC）的直線加速器光源開始運(yùn)轉(zhuǎn)，人們迎來(lái)了衍射成像的新時(shí)代.關(guān)于SLAC的直線加速器，其中包含世界上功率最大的X射線自由電子激光（XFELs，位于美國(guó)加州帕洛阿爾托市附近）發(fā)射器，它最重要的應(yīng)用是用于研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu).這臺(tái)裝置成為生物學(xué)家的探測(cè)生物質(zhì)的“利器”.這是由于SLAC的激光器可以發(fā)出極短的脈沖，用以捕捉運(yùn)動(dòng)的分子.強(qiáng)烈的激光足以捕捉生物分子，并使之成像.正是這種新的方法使生物學(xué)家掃描出潛在的藥物靶標(biāo)，或探討光合作用粒子的結(jié)構(gòu)，等等.正如今天的科學(xué)家所評(píng)價(jià)的，XFELs是一種顛覆性的技術(shù)，并且超越了以前的所有技術(shù)，將會(huì)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響.

SLAC的直線加速器光源（LCLS）是世界上首個(gè)也是現(xiàn)今世界上最大的XFELs發(fā)射器.LCLS是美國(guó)能源部牽頭制造的，盡管它在當(dāng)時(shí)受到一些人的質(zhì)疑.這個(gè)LCLS花費(fèi)了4.14億美元.只是用于LCLS的優(yōu)異性能，才使人們的指責(zé)平息下來(lái).不僅是指責(zé)聲漸消，許多國(guó)家還急忙跟進(jìn)，日本也建立了自己的XFELs，歐洲人則要建造更大的XFELs，并且將于2015年啟動(dòng).還有一些國(guó)家也要建XFELs，這要花上幾十億美元.這些研究要集合不同領(lǐng)域的專家，要集成若干新技術(shù).當(dāng)然，我們有理由相信，這會(huì)大大推動(dòng)人類對(duì)于自然的認(rèn)識(shí)，特別是為揭開生命之謎，這些技術(shù)將會(huì)發(fā)揮重要的作用.從X射線晶體學(xué)的回顧來(lái)看，這個(gè)X射線利器也許會(huì)發(fā)揮出更大的作用，對(duì)已進(jìn)入的“生物世紀(jì)”又是個(gè)好兆頭.

1 苑紅霞，劉戰(zhàn)存.勞厄?qū)w衍射的發(fā)現(xiàn)［J］.大學(xué)物理，2004（5）：47.

2 麥振洪.晶體X射線衍射的發(fā)現(xiàn)及其深遠(yuǎn)影響［J］.物理，2012（11）：721.

3 編譯委員會(huì)編譯.諾貝爾講演全集：物理學(xué)卷1［M］.福建：福建人民出版社，2003：333.

4 楊慶余，周榮生.巧妙的構(gòu)想大膽的創(chuàng)新——?jiǎng)诙蚺cX射線衍射的實(shí)驗(yàn)［J］.大學(xué)物理，2002（4）：36.

5 任重等.勞埃晶體學(xué)時(shí)代的到來(lái)［J］.生物物理學(xué)報(bào)，2001（3）：419－434.