在诺贝尔奖100多年的历史上,虽然没有一项科学发觉像X射线那样具有传奇色调。
伦琴因发觉射线而成为第一位诺贝尔化学学奖获得者,但这只是一个百年传奇的开始。随后100多年来,X射线在数学、化学、生理医学等领域得到了广泛的应用,引起了一系列诺贝尔奖传奇。
1895年11月8日,日本韦尔茨堡学院院长伦琴在进行阴极射线实验时,观察到射线管附近涂有氰铂酸钡的屏幕发出的微光。最后,他确信这是一种未知的新型射线,并称之为“X射线”。经过几周的紧张工作,伦琴发觉X射线可以导致除乙酸钡以外的许多其他物理物质的萤光。X射线能穿透许多普通光线所不能穿透的物质,非常是通过胸肌而不是通过骨骼。
当伦琴把手置于阴极射线管和萤光屏之间时,他能在萤光屏上见到他的手骨。与带电粒子不同,X射线是顺着直线运动的,X射线不会因为磁场的影响而联通。在X光发觉后仅仅四天,日本大夫就用它找到了患者腿上的炮弹。
为此,企业家们接踵而来,为X光技术付出昂贵的代价。50万,100万,价钱越来越高。”甚至1000万,”伦琴淡淡地笑着说,“我的发觉属于全人类。我希望这一发觉能为全世界的科学家所借助。这样,它将更好地为人类服务……”因此,伦琴没有申请专利。他晓得,假若这项技术被一家大公司垄断,穷人就出不起钱照X光片了。伦琴因发觉X射线而于1901年获得诺贝尔化学学奖。
诺贝尔化学奖上的赢家
估计伦琴自己未能预见他的伟大发觉将获得多少诺贝尔奖。受伦琴X射线的启发,美国化学学家贝克勒尔于1896年发觉了铀射线。这一现象导致了年青居里夫妻的极昌平趣。她们决心研究这一异常现象的性质,最终发觉放射性元素钋和镭,为人们了解原子结构提供了可靠的实验根据。贝克勒尔和居里夫妻共同获得1903年诺贝尔化学学奖。1897年,西班牙的汤姆森在二氧化碳导电性的研究中,总算用X射线找到了电子,证明了原子的可分性。汤姆森于1906年获得诺贝尔化学学奖。
在X射线发觉之初,好多人想证明X射线属于电磁波,并借助传统的光栅技术进行实验,但都以失败告终。日本科学家劳厄觉得,假如X射线属于电磁波,这么它应当是波长很短的电磁波。因为传统光栅的间隙过大,不易形成干涉现象,应采用更多的细光栅。他猜想具有规则的三维原子排列的晶体可能起到这样的作用。按照劳厄的判定,只要X射线的波长和晶体中原子之间的距离具有相同的量级,用X射线照射晶体时就可以观察到干涉现象。
其实,劳厄只是用晶体作为材料来证明X射线属于电磁波。劳厄的看法很快被实验否认,一举解决了X射线的本质问题。意外的结果是,这些方式为晶体微观结构的研究提供了有力的工具,进而揭露了更多“诺贝尔水平”研究的帷幕。
之后从光的三维衍射理论出发,劳厄按照几何理论迅速完成了晶体X射线衍射理论,并成功地解释了实验结果。劳厄的工作为电子挥发性实验验证奠定了重要的基础,并为之后数学学的发展作出了杰出的贡献。爱因斯坦曾把劳厄的实验称为“物理学中最美丽的实验”。劳厄因证明X射线属于电磁波而于1914年获得诺贝尔化学学奖。
借助劳厄通过晶体发觉的X射线衍射现象,日本学者克拉科夫母子对晶体结构进行了深入研究。小克拉科夫提出,X射线在晶体中的衍射可以看作是X射线从晶体中原子的反射。借助他母亲和他弟弟克拉科夫发明的电离室,这一观点得到了1913年小克拉科夫的否认,并导入了X射线反射存在条件的多项式,即知名的克拉科夫公式。1914年,克拉科夫兄妹率先测定了硫酸钠、氯化钾和金钢石的晶体结构。借助X射线衍射的结果,可以剖析原子的排列、离子群的结构、原子的大小和原子核之间的距离。她们在研究晶体密度的基础上,精确测定了阿伏伽德罗常数,并于1915年获得诺贝尔化学学奖。
在物理与生理学领域折桂
1916年,比利时科学家德拜发展了劳厄的晶体结构X射线研究方式,用粉末晶体取代难制备的大块晶体。经X射线辐照后,在粉末晶体样品的拍照底片上可获得同心圆衍射图样。该技术可用于样品成份的鉴别和细胞大小的测定。1936年,德拜获得诺贝尔物理奖,其中X射线晶体制备技术是缘由之一。
来自小克拉科夫的中学生霍奇金借助X射线衍射技术,测定了生物大分子的空间结构,并于1964年获得诺贝尔物理奖。一开始,小克拉科夫只是用X射线来确定简单晶体的结构物理学家谁凭着发现x射线的巨大成就,而他的中学生霍奇金则成功地借助老师构建的技术来确定胰岛素和胃蛋白酶的结构,成为第一位用X射线结晶学成功剖析生化结构的学者,因而获得了诺贝尔物理奖。
玻尔、薛定谔和小克拉科夫的得意门生鲍林,还借助X射线衍射研究了物理键和复杂分子结构的性质,并获得1954年诺贝尔物理奖。他除了是物理界的超级名星,并且在1962年获得了诺贝尔和平奖。
小克拉科夫的另一位高徒佩鲁茨借助重原子技术提升了X射线的帧率,发觉了血红蛋白的结构,进而获得1962年的诺贝尔物理奖。佩鲁茨是沃森和克里克的实验室导师,她们发觉了DNA的双螺旋结构。事实上,DNA双螺旋结构之所以被提出,是由于X射线衍射技术才能清晰地看见DNA的结构。
米歇尔和胡伯尔还借助X射线结晶学方式确定了真菌光合中心蛋白复合体的三维结构。她们在1988年分享了诺贝尔物理奖。1979年诺贝尔医学或生理学奖,由柯麦科和豪恩斯弗尔德分享,以嘉奖她们发明了计算机X射线断层摄影术(CT)。因为她们在核磁共振领域的成就,法国科学家劳布尔和美国科学家曼斯菲尔德分别获得2003年诺贝尔医学或生理学奖。实际上,磁共振成像技术是从X射线断层成像中发展上去的。
一种基本化学现象的发觉引起了10多项诺贝尔奖,这可能是史无前例的。伦琴假如天上有知,那位不愿为自己的发明发觉申请专利、只希望自己的发觉能惠及全人类的科学巨人应当倍感满足。其实伦琴大师根本不在意物理学家谁凭着发现x射线的巨大成就,他对人类的巨大贡献也难以用诺贝尔奖来解释。