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2005世界物理年科普系列报告会 ——“物理学和生命科学”报告 中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所 冼鼎昌先生
进入二十世纪之前,物理学发展的一件革命性的事件就是发现了X光。X光是德国一个乌茨堡物理学院的伦琴教授发现的,在1895年发现了。当时看不见,但是它能使得照相底片感光。他发现的X光实验室,这个实验室按照现在的眼光来看,实在算不了什么,但是就在这儿做出了历史性的、革命性的大发现。发现它能够有很大的穿透能力,这是他夫人的手,我们可以看到他夫人还戴着戒指。不能够成像,而且正是因为X光的发现,使人们从看不见东西到可以看见,这是骨头,而且使人们从宏观世界走到微观世界。因为发现X光,伦琴得到了有史以来第一次的诺贝尔物理学奖,在1901年。 X光是电磁波,但是X光的性质都不能验证,比如我们知道光在一个物体上,比如在镜子上会反射、折射,可是都发现不了。而且可见光物体有一个衍射的现象。一个障碍物在它后面,光的强度会重新分布,有些地方强一点,有些地方弱一点。比如说有一个格子,可见光跑过来了,在后面放一块感光片,就会发现不是均匀的格点,而是有强的、有弱的,有一个空间分布。这个现象叫衍射。 大家对光很不清楚,就提出来这到底是什么光。大家认为它能够使得底片感光,它一定是光,但是又看不见,没有普通光的性质,所以X光是未知数的意思,不知道它是什么东西。 德国南部的慕尼黑大学有一位理论物理学家叫做劳厄,他提出一个看法,要得到所谓衍射的现象,光的波长必须和阻挡的光两个障碍物的尺度差不多,现在用比厘米还小,都看不见衍射的现象,说明一个事实,就是X光的波长比格子的尺度要小的多,所以他认为X光的波长可能和原子的尺度相同,原子的尺度是埃的尺度,一个埃有多长,是一厘米的一亿分之一,假如一个球是一埃长的话,要把一亿个球排成一起,才有一厘米长。埃是很小很小的长度。劳厄在慕尼黑大学教书,他不做实验,就动员一个研究员做事情,原子尺度的网格怎么做呢?最简单,因为当时知道矿物里的一种晶体,晶体是很多原子排成很规矩的空间的模型,好像三维的网格一样。这个尺度当然是埃原子的尺度了,他就提出来假如不用以前的三网来做衍射,而拿晶体来做衍射试验,应当看得见。这两个年轻人按照他的想法做了一个试验,代替筛网,第一次用的硫酸铜矿物晶体,X光在这个地方射进来,经过障碍物,发生了衍射,后面放一个感光片,果然在感光片上看到了衍射现象。第一张衍射的图片,发现有很多很多所谓现在叫做衍射的斑点,这是一个了不起的发现。有了这个东西证明X光是电磁波,第二,证明了X光是波长很短的电磁波,波长的数量级是埃的数量级。还有这一点是科学家用几十年的工夫,一直到现在,我们有希望从斑点的分布推回去,知道矿物的晶体结构,就是格子是怎么样的,这是从劳厄的时代一直到现在还没做完的事情,这是一个非常有趣的事情。因为这个了不起的成就,1914年劳厄被授予诺贝尔物理学奖。 劳厄在1912年做的工作,他在德国。隔了一个海,在英国有两父子马上意识到劳厄工作的重要性,这两父子也是非常有名的物理学家,父亲叫威廉,那时是非常成名的物理学家,儿子也叫威廉。这两父子马上意识到劳厄工作的重要性,因为他给我们观测、研究微观世界提供了一个极强的手段,所以他们很系统地来做。劳厄是穿过晶体来看后面的斑点的衍射。布拉格发展了另外一种方法,证明了X光可以在晶体表面反射,而且反射在不同的角度有加强的现象,也就是衍射,通过反射来看它的衍射,在同一个方向来看衍射的现象。有了他们的方法以后,发展的极为迅速,特别是小布拉格一生的后期把全部精力放在这个研究上,很系统地来做衍射的办法,研究微观世界,做的极有成绩,因为他本人是很好的实验物理学家,又是一个很好的理论物理学家,所以他在这方面做出来的成绩和劳厄一样,也是开创性的。 从1913年他们一起做,小布拉格一直做到去世,不但从物理学里做研究,还把这个方法推广到生物学里去,引起了生命科学的巨大飞跃。1915年两父子因为成就,同时获得了诺贝尔物理学奖。