X射線的魔力（上）｜與諾貝爾獎的不解之緣

X射線的發現是19世紀末20世紀初物理學的三大發現（X射線1896年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發現標誌著現代物理學的產生，為諸多科學領域提供了一種行之有效的研究手段。X射線的發現和研究，對20世紀以來的物理學以至整個科學技術的發展產生了巨大而深遠的影響。

諾貝爾獎1901年第一次頒發，德國物理學家倫琴因發現X射線獲物理學獎。在此之後，X射線彷彿有什麼魔力，總與諾貝爾獎有著不解之緣，倫琴根本沒想到他的這一發現竟成就了多個諾貝爾獎得主。一個多世紀以來，因研究X射線技術、以及使用X射線進行研究、與X射線有關的研究而獲得諾貝爾獎的已有幾十人。

本文分上、下兩個部分列出與X射線相關的諾貝爾獎。

1836年，英國科學家邁克爾.法拉第（MichaelFaraday）發現，在稀薄氣體中放電時會產生一種絢麗的輝光。後來，物理學家把這種輝光稱為「陰極射線」，因為它是由陰極發出的。

1861年，英國科學家威廉.克魯克斯（WilliamCrookes）發現通電的陰極射線管在放電時會產生亮光，於是就把它拍下來，可是顯影后發現整張干版上什麼也沒照上，一片模糊。他以為干版舊了，又用新干版連續照了三次，依然如此。克魯克斯的實驗室非常簡陋，他認為是干版有毛病，就退給了廠家。他也曾發現抽屜里保存在暗盒裡的膠捲莫名其妙地感光報廢了，他找到膠片廠商，指斥其產品低劣。一個偉大的發現與他失之交臂，直到倫琴發現了X光，克魯克斯才恍然大悟。

在倫琴發現X射線的五年前，美國科學家古德斯柏德在實驗室里偶然洗出了一張X射線的透視底片。但他歸因於照片的沖洗藥水或沖洗技術有問題，也把這一「偶然」棄之於垃圾堆中。

1895年10月，德國物理學家倫琴（WilhelmKonrad Rontgen）也發現了干板底片「跑光」現象，他決心查個水落石出。倫琴吃住在實驗室，一連做了7個星期的秘密實驗。11月8日，倫琴用克魯克斯陰極射線管做實驗，他用黑紙把管嚴密地包起來，只留下一條窄縫。他發現電流通過時，兩米開外一個塗了亞鉑氰化鋇的小屏發出明亮的熒光。如果用厚書、2-3厘米厚的木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間，仍能看到熒光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進行實驗，實驗結果表明它們也是「透明的」，銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過，只要它們不太厚。

使倫琴更為驚訝的是，當他把手放在紙屏前時，紙屏上留下了手骨的陰影。倫琴意識到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到的射線，它具有特彆強的穿透力。倫琴用這種射線拍攝了他夫人的手的照片，顯示出手的骨骼結構。

1895年12月28日，倫琴向德國維爾茲堡物理和醫學學會遞交了第一篇研究通訊《一種新射線——初步報告》。倫琴在他的通訊中把這一新射線稱為X射線（數學上經常使用的未知數符號X），因為他當時無法確定這一新射線的本質。

倫琴的這一發現立即引起了強烈的反響：1896年1月4日柏林物理學會成立50周年紀念展覽會上展出了X射線照片。1月5日維也納《新聞報》搶先作了報道；1月6日倫敦《每日紀事》向全世界發布消息，宣告發現X射線。這些宣傳，轟動了當時國際學術界，倫琴的論文在3個月之內就印刷了5次，立即被譯成英、法、意、俄等國文字。

X射線的發現引起了學術界極大的研究熱情。此後，倫琴發表了《論一種新型的射線》、《關於X射線的進一步觀察》等一系列研究論文。1901年諾貝爾獎第一次頒發，倫琴就由於發現X射線而獲得了物理學獎。

倫琴發現X射線使X射線研究迅速升溫，幾乎所有的歐洲實驗室都立即用X射線管來進行試驗和拍照。幾個星期之後，X射線已開始被醫學家利用。醫生應用X射線準確地顯示了人體的骨骼，這是物理學的新發現在醫學中最迅速的應用。隨後，創立了用X射線檢查食道、腸道和胃的方法，受檢查者吞服一種造影劑（如硫酸鋇），再經X射線照射，便可顯示出病變部位的情景。以後又發明了用於檢查人體內臟其他一些部位的造影劑。X射線診斷儀在相當一個時期內一直作為醫院中最重要的診斷儀器。

為紀念倫琴對物理學的貢獻，後人也稱X射線為倫琴射線，並以倫琴的名字作為X射線等的照射量單位。

此時，X射線究竟是微小的質點束，還是像光一樣的波狀輻射，一直懸而未決。有一種鑒定方法就是看X射線能否藉助含有一系列細線的衍射光柵而衍射（即改變射線方向）。要想得到適當的衍射，這些細線的間距必須大致與輻射線的波長大小相等。那時最密的人工衍射光柵，適用於一般光線。由X射線的穿透力得知，若X射線像波一樣，則其波長要短得多——可能只有可見光波長的千分之一。製作如此精細的光柵在當時是完全是不可能的。

德國物理學家馬克斯.勞厄（Max vonLaue）想到，如果人工做不出這樣的光柵，自然界中的晶體也許能行。晶體是一種幾何形狀整齊的固體，而在固體平面之間有特定的角度，並且有特定的對稱性。這種規律是構成晶體結構的原子有次序地排列的結果。一層原子和另一層原子之間的距離大約是X射線波長的大小。如果這樣，晶體應能使X射線衍射。

勞厄的老闆，物理學家阿諾德.索末菲（ArnoldSommerfeld）認為這一想法荒誕不經，勸說他不要在這上面浪費時間。但到了1912年，兩個學生證實了勞厄的預言。他們把一束Ｘ光射向硫化鋅晶體，在感光版上捕捉到了散射現象，即後來所稱的勞厄相片。感光版沖洗出來之後，他們發現了圓形排列的亮點和暗點—衍射圖。勞厄證明了Ｘ光具有波的性質。《自然》雜誌把這一發現稱為「我們時代最偉大、意義最深遠的發現」。勞厄證明了X射線的波動性和晶體內部結構的周期性，發表了《X射線的干涉現象》一文。兩年後，也就是1914年，這一發現為勞厄贏得了諾貝爾物理學獎。

勞厄發現X射線衍射有兩個重大意義。它表明了Ｘ射線是一種波，對X射線的認識邁出了關鍵的一步, 這樣科學家就可以確定它們的波長，並製作儀器對不同的波長加以分辨（與可見光一樣，Ｘ射線具有不同的波長）。另一方面，這一發現在第二個領域結出了更為豐碩的成果，第一次對晶體的空間點陣假說作出了實驗驗證，使晶體物理學發生了質的飛躍。一旦獲得了波長一定的光束，研究人員就能利用Ｘ光來研究晶體光柵的空間排列：Ｘ射線晶體學成為在原子水平研究三維物質結構的首枚探測器。這一發現繼佩蘭（Perrin）的布朗運動實驗之後，又一次向科學界提供證據，證明原子的真實性。此後，X射線學在理論和實驗方法上飛速發展，形成了一門內容極其豐富、應用極其廣泛的綜合學科。

勞厄的文章發表不久，引起了英國布拉格父子的關注，當時老布拉格，即亨利.布拉格（William Henry Bragg）已是利茲大學的物理學教授，而小布拉格，即勞倫斯.布拉格（William Lawrence Bragg）剛從劍橋大學畢業，在卡文迪許實驗室工作。由於都是X射線微粒論者，兩人都試圖用X射線的微粒理論來解釋勞厄的照片，但他們的嘗試未能取得成功。小布拉格經過反覆研究，成功地解釋了勞厄的實驗事實。他以更簡潔的方式，清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成，並提出著名的布拉格公式：2dsinθ=nλ。這一結果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性，更重要的是證明了能夠用X射線來獲取關於晶體結構的信息。

1912年11月，小布位格以《晶體對短波長電磁波衍射》為題向劍橋哲學學會報告了上述研究結果。老布拉格於1913年1月設計出第一台X射線光譜儀，並利用這台儀器，發現了特徵X射線。

小布拉格在用特徵X射線分析了一些鹼金屬鹵化物的晶體結構之後，與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結構，並用勞厄法進行了驗證。金剛石結構的測定完美地說明了化學家長期以來認為的碳原子的四個鍵按正四面體形狀排列的結論。這對尚處於新生階段的X射線晶體學來說非常重要，充分顯示了X射線衍射用於分析晶體結構的有效性，使其開始為物理學家和化學家普遍接受。

布拉格父子因在用X射線研究晶體結構方面所作出的傑出貢獻分享了1915年的諾貝爾物理學獎。

1897年，法國物理學家塞格納克（G.M.M.Sagnac）發現X射線還有一種效應引人注目，當它照射到物質上時會產生二次輻射，這種二次輻射是漫反射，比入射的X射線更容易吸收。這一發現為以後研究X射線的性質打下了基礎。

1906年英國物理學家查爾斯.巴克拉（Charles GloverBarkla）在塞格納克的基礎上做實驗，他將X射線管發出的X射線以45°角輻照在散射物A上，從A發出的二次輻射又以45°角投向散射物B，再從垂直於二次輻射的各個方向觀察三次輻射，發現強度有很大變化，沿著既垂直於入射射線又垂直於二次輻射的方向強度最弱。由此巴克拉得出了X射線具有偏振性的結論。根據X射線的偏振性，人們開始認識到X射線和普通光是類似的。

偏振性的發現對認識X射線的本質雖然前進了一大步，但還不足以判定X射線是波還是粒子，因為粒子也能解釋這一現象，只要假設這種粒子具有旋轉性就可以了。1907-1908年，一場關於X射線是波還是粒子的爭論在巴克拉和亨利.布拉格之間展開了。

亨利.布拉格根據γ射線能使原子電離，在電場和磁場中不受偏轉以及穿透力極強等事實，主張γ射線是由中性偶——電子和正電荷組成。他認為X射線也一樣，並由此解釋了已知的各種X射線現象。而巴克拉堅持X射線的波動性。兩人在科學期刊上展開了辯論，雙方都有一些實驗事實支持。這場爭論雖然沒有得出明確結論，但還是給科學界留下了深刻印象。巴克拉關於X射線的偏振實驗和波動性觀點可以說是後來勞厄發現X射線衍射的前奏。

巴克拉最重要的貢獻是發現了元素髮出的X射線輻射都具有和該元素有關的特徵譜線（也叫標識譜線）。巴克拉在實驗中發現，不管元素已化合成什麼化合物，它們總是發射一種硬度的X射線，當原子量增大時，標識X射線的穿透本領會隨著增大。這說明X射線具有標識特定元素的特性。

1909年，巴克拉和他的學生沙德勒（C.A.Sadler）在進一步的實驗中發現，標識譜線其實並不均勻，它可以再分為硬的成分和軟的成分。他們把硬的成分稱為K線，把軟的成分稱為L線。每種元素都有其特定的K線和L線。這些譜線的吸收率與發射元素的原子量之間近似有線性關係，卻跟普通光譜不同，不呈周期性。X射線標識譜線對建立原子結構理論極為重要。

巴克拉由於發現標識X射線在1917年獲得了諾貝爾物理學獎。

1914年，英國物理學家莫塞萊（HenryMoseley）用布拉格X射線光譜儀研究不同元素的X射線，取得了重大成果。莫塞萊發現，以不同元素作為產生X射線的靶時，所產生的特徵X射線的波長不同。他把各種元素按所產生的特徵X射線的波長排列后，發現其次序與元素周期表中的次序一致，他稱這個次序為原子序數，認為元素性質是其原子序數的周期函數。原子序數把各種元素基本上按原子量遞增的順序排列成一個系列，可是卻比按原子量遞增排列得到更合理的順序。關於原子序數的發現被稱為莫塞萊定律。

瑞典物理學家卡爾.西格班（KarlManne Georg Siegbahn）繼承和發展了莫塞萊的研究，他改進了真空泵的設計，他設計的X射線管，可使曝光時間大大縮短，從而使測量精度大為提高。因此他能夠對X射線譜系作出精確的分析，他測量波長的精確度比莫塞萊提高了1000倍。

卡爾.西格班的研究支持了玻爾等人把原子中電子按殼層排列的觀點。他和他的同事還從各種元素的標識X輻射整理出系統的規律，對原子的電子殼層的能量和輻射條件建立了完整的知識，同時也為與之有關的現象作出量子理論解釋建立了堅實的經驗基礎。卡爾.西格班在他的《倫琴射線譜學》一書中對這方面的成果作了全面總結，成為一部經典的科學著作。卡爾.西格班獲得了1924年的諾貝爾物理學獎，成為繼巴克拉之後，又一次因X射線學的貢獻而獲諾貝爾物理學獎的物理學家。卡爾.西格班的X射線譜儀測量精度非常之高，以至30年後還在許多方面得到應用。

卡爾.西格班的兒子凱.西格班在57年後的1981年，由於在電子能譜學方面的開創性工作獲得了諾貝爾物理學獎的一半。

美國物理學家阿瑟.康普頓（ArthurHoly Compton）在大學生時期就跟隨其兄卡爾·康普頓開始X射線的研究。後來他到了卡文迪什實驗室，主要從事γ射線的實驗研究。他用精湛的實驗技術精確測定了γ射線的波長，並確定γ射線在散射后波長會變得更長。但他沒能從理論上解釋這個實驗事實。他到了美國華盛頓大學后，用X射線進行實驗，檢驗用γ射線做的散射實驗結果。他發現，晶體反射的單色X射線也能激發同樣的現象，還發現這種X輻射具有偏振性。經過多次精細實驗，康普頓得到了明確的結論，散射的波長比入射的波長更長，波長的改變數只決定於散射角。

1923年5月，康普頓用愛因斯坦的光子概念成功地解釋了x 射線通過石墨時所發生的散射。他假設光子與電子在碰撞過程中既要遵守能量守恆又要遵守動量守恆，他按照這個思路列出方程后求出了散射前後的波長差，結果跟實驗數據完全符合，這樣就證實了他的假設。這種現象被稱為康普頓效應。

康普頓進一步證實了愛因斯坦的光子理論，揭示出光的二象性本質，從而導致了近代量子物理學的誕生和發展；另一方面康普頓效應也闡明了電磁輻射與物質相互作用的基本規律，從理論和實驗上都具有極其深遠的意義。康普頓於1927年與英國的物理學家威爾遜同獲諾貝爾物理學獎[6]。

1916年，美籍荷蘭物理學家、化學家彼得.德拜（Peter Joseph Wilhelm Debye）和瑞士物理學家謝樂（PaulScherrer）發展了用X射線研究晶體結構的方法，採用粉末狀的晶體代替較難製備的大塊晶體。粉末狀晶體樣品經X射線照射后在照相底片上可得到同心圓環的衍射圖樣（德拜-謝樂環）,可用於鑒定樣品的成分，測定晶體結構。

因當時正值第一次世界大戰，信息交流受阻，1917年，美國科學家Hull也獨立提出了這一方法。德拜因利用偶極矩、X射線和電子衍射法測定分子結構的成就而獲1936年諾貝爾化學獎。

1927年，美國生物學家赫爾曼.繆勒（HermannJosepn Muller）在研究基因突變的過程中，用X射線照射了上百個果蠅，觀察它們與未經照射的果蠅交配后所產生後代的變異。他意外地發現，X射線大大加速了果蠅的變異，並廣泛地涉及到眼睛、剛毛、觸角、翅膀、個體大小、活潑程度等各個方面。這些變異現象，顯然是由基因突變引起的。人工誘發遺傳突變獲得成功，開闢了輻射遺傳和人工誘變研究的新領域，在理論和實踐上均有重大意義。

繆勒的工作使他的老師摩爾根（T.H.Morgan）所創立的基因學說在實踐上得到了發展，繆勒因發現X射線能人為地誘發遺傳突變而被授予1946年諾貝爾生理學.醫學獎。繆勒最早指出放射線對人類的遺傳有危害作用，他認為核（彈）試驗的放射性塵埃能引起大量有害突變，可能殃及後代。

20世紀40年代末和50年代初，DNA被確認為遺傳物質，它能攜帶遺傳信息，能自我複製傳遞遺傳信息，能讓遺傳信息得到表達以控制細胞活動，並能突變並保留突變。生物學家們面臨的難題是：DNA是什麼樣的結構？當時主要有三個實驗室在研究DNA分子模型。

英國倫敦國王學院的莫里斯.威爾金斯（MauriceWilkins）、羅莎琳.富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）實驗室，他們用X射線衍射法研究DNA的晶體結構。當X射線照射到生物大分子的晶體時，晶格中的原子或分子會使射線發生偏轉，根據得到的衍射圖像，可以推測分子大致的結構和形狀。英國女生物學家富蘭克林最早認定DNA具有雙螺旋結構，1952年5月，她運用X射線衍射技術拍攝到了清晰而優美的DNA照片，照片表明DNA是由兩條長鏈組成的雙螺旋，寬度為20埃，這為探明其結構提供了重要依據。

另一個研究DNA分子模型的實驗室是美國加州理工學院的萊納斯.鮑林（Linus Carl Pauling）實驗室。早在20世紀30年代初，鮑林對生物大分子結構研究產生了興趣，最初的工作是對血紅蛋白結構的確定。為了進一步精確測定蛋白質結構，他想到他早期從事的X射線衍射晶體結構測試的方法，將這種方法引入到蛋白質結構測定中，並且推導了經衍射圖譜計算蛋白質中重原子坐標的公式。

至今，通過蛋白質結晶進行X射線衍射實驗仍然是測定蛋白質三級結構的主要方法，人類已知結構的絕大部分蛋白質都是經由這種方法測定獲得的。結合血紅蛋白的晶體衍射圖譜，鮑林提出蛋白質中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的，這是最早的α螺旋結構模型。1954年，鮑林由於在化學鍵的研究以及用化學鍵的理論闡明複雜的物質結構而獲得諾貝爾化學獎（他的成就與X射線衍射研究密不可分）。

還有一個研究DNA分子模型的實驗室是英國的詹姆斯.沃森（James Watson）和弗朗西斯.克里克（Francis Crick）的研究小組。沃森1951年在劍橋大學做博士后，研究DNA分子結構，課題項目是研究煙草花葉病毒。克里克當時正在做博士論文，論文題目是「多肽和蛋白質：X射線研究」。沃森需要克里克在X射線晶體衍射學方面的知識，他說服克里克參加DNA分子模型的研究。他們從1951年10月開始拼湊模型，幾經嘗試，終於在1953年3月獲得了正確的模型。

DNA雙螺旋模型的發現，是20世紀最為重大的科學發現之一，也是生物學歷史上惟一可與達爾文進化論相比的最重大的發現，它揭開了分子生物學的新篇章，人類從此開始進入改造、設計生命的征程。同時，它也是許多人共同奮鬥的結果，克里克、威爾金斯、富蘭克林和沃森，特別是克里克，是其中最為傑出的。

沃森、克里克、威爾金斯因發現核酸的分子結構及其對生命物質信息傳遞的重要性分享了1962年的諾貝爾生理學.醫學獎（他們的研究成果是在X射線衍射實驗的基礎上得到的）。

英國生物化學家約翰.肯德魯（JohnCowdery Kendrew））和馬克斯.佩魯茲（Max Ferdinand Perutz）），用X射線衍射分析法研究血紅蛋白和肌紅蛋白。肯德魯用特殊的X射線衍射技術及電子計算機技術描述肌球蛋白螺旋結構中氨基酸單位的排列，他與佩魯茨共同研究X射線衍射晶體照相術，以及蛋白質和核酸的結構與功能。

英國科學家佩魯茲

1960年，他們把一些蛋白質分子和衍射X射線效率特別高的大質量原子（如金或汞的原子）結合起來，首次精確地測定了蛋白質晶體的結構。佩魯茨和肯德魯分享了1962年的諾貝爾化學獎。

英國女化學家多蘿西.霍奇金（DorothyMary Crowfoot Hodgkin）研究了數以百計固醇類物質的結構，其中包括維生素D2（鈣化甾醇）和碘化膽固醇。她在運用X射線衍射技術測定複雜晶體和大分子的空間結構的研究中取得了巨大成就。1949年她測定出青霉素的結構，促進了青霉素的大規模生產。1957年又成功測定出了抗惡性貧血的有效藥物——維生素B12的巨大分子結構，使合成維生素B12成為可能。

由於霍奇金這兩項成果意義重大，影響深遠，她於1964年獲諾貝爾化學獎，成為繼居里夫人及其女兒伊倫.約里奧—居里之後，第三位獲得諾貝爾化學獎的女科學家。

挪威化學家奧德.哈塞爾（OddHassell）1930年開始研究環己烷及其衍生物的結構。20世紀50年代起，哈塞爾主要從事有機鹵化物的結構研究，他用X射線衍射法研究結晶結構和分子結構，並測定電偶極矩，在確立用構象分析（分子的三維幾何結構）把化學性狀和分子結構系統聯繫方面的研究卓有成效。

哈塞爾與英國化學家德里克.巴頓（ DerekHarold Richard Barton）因提出「構象分析」的原理和方法，並把它應用在有機化學研究中，用X射線衍射分析法研究了分子特性與分子中原子的複雜空間三維結構之間的關係，對發展立體化學理論作出了貢獻而同獲1969年諾貝爾化學獎。

英國化學家傑弗里.威爾金森（GeoffreyWilkinson）主要研究領域為結構化學和有機金屬化學。1951年發表了合成二茂鐵的論文，後來通過化學與物理方法的綜合研究及X射線結構分析，證明了二茂鐵是一個具有夾心麵包式結構的化合物，一個鐵原子位於兩個茂基之間，兩個茂基的五碳平面環互相平行。

他在從事金屬與氫鍵合的研究中幾乎合成了全部過渡金屬的二茂夾心式化合物，還對過渡金屬的羰基化合物、氫化物和羥基化合物進行研究。1964年，他發現了三氯化物均相加氫催化劑（通稱威爾金森催化劑），在無機和有機化學中有廣泛意義，並具有重要工業價值。

德國化學家恩斯特.費歇爾（ErnstOtto Fischer）研究了二茂鐵的結構，他提出了一種新的成鍵形式——夾心結構來說明其穩定性和磁性，並用X射線晶體分析法加以證實。1953年他的研究報告發表后引起了廣泛的重視。他還預測了二苯鉻夾心化合物的存在，於1954年合成了二苯鉻，並測定了它的結構。

威爾金森與費歇爾因對有機金屬化學的研究卓有成效而共獲1973年諾貝爾化學獎。

美國物理化學家利普斯科姆（WilliamNunn Lipscomb）主要從事硼烷、碳硼烷結構的研究。他與同事們發展並應用了低溫X射線衍射和核磁共振等方法，得到了許多硼氫化合物和硼烷的分子結構圖。他們的方法在生物化學的研究中也得到了應用。

1963年他發表了專著《硼的氫化物》。由於他在研究硼化合物的結構及成鍵規律以及化學鍵一般性質方面的成就，獲得1976年諾貝爾化學獎。