在諾貝爾獎100多年的歷史上,雖然沒有一項科學發覺像X射線那樣具有傳奇色調。
倫琴因發覺射線而成為第一位諾貝爾化學學獎獲得者,但這只是一個百年傳奇的開始。隨后100多年來,X射線在數學、化學、生理醫學等領域得到了廣泛的應用,引起了一系列諾貝爾獎傳奇。
1895年11月8日,日本韋爾茨堡學院院長倫琴在進行陰極射線實驗時,觀察到射線管附近涂有氰鉑酸鋇的屏幕發出的微光。最后,他確信這是一種未知的新型射線,并稱之為“X射線”。經過幾周的緊張工作,倫琴發覺X射線可以導致除乙酸鋇以外的許多其他物理物質的螢光。X射線能穿透許多普通光線所不能穿透的物質,非常是通過胸肌而不是通過骨骼。
當倫琴把手置于陰極射線管和螢光屏之間時,他能在螢光屏上見到他的手骨。與帶電粒子不同,X射線是順著直線運動的,X射線不會因為磁場的影響而聯通。在X光發覺后僅僅四天,日本大夫就用它找到了患者腿上的炮彈。
為此,企業家們接踵而來,為X光技術付出昂貴的代價。50萬,100萬,價錢越來越高?!鄙踔?000萬,”倫琴淡淡地笑著說,“我的發覺屬于全人類。我希望這一發覺能為全世界的科學家所借助。這樣,它將更好地為人類服務……”因此,倫琴沒有申請專利。他曉得,假若這項技術被一家大公司壟斷,窮人就出不起錢照X光片了。倫琴因發覺X射線而于1901年獲得諾貝爾化學學獎。
諾貝爾化學獎上的贏家
估計倫琴自己未能預見他的偉大發覺將獲得多少諾貝爾獎。受倫琴X射線的啟發,美國化學學家貝克勒爾于1896年發覺了鈾射線。這一現象導致了年青居里夫妻的極昌平趣。她們決心研究這一異?,F象的性質,最終發覺放射性元素釙和鐳,為人們了解原子結構提供了可靠的實驗根據。貝克勒爾和居里夫妻共同獲得1903年諾貝爾化學學獎。1897年,西班牙的湯姆森在二氧化碳導電性的研究中,總算用X射線找到了電子,證明了原子的可分性。湯姆森于1906年獲得諾貝爾化學學獎。
在X射線發覺之初,好多人想證明X射線屬于電磁波,并借助傳統的光柵技術進行實驗,但都以失敗告終。日本科學家勞厄覺得,假如X射線屬于電磁波,這么它應當是波長很短的電磁波。因為傳統光柵的間隙過大,不易形成干涉現象,應采用更多的細光柵。他猜想具有規則的三維原子排列的晶體可能起到這樣的作用。按照勞厄的判定,只要X射線的波長和晶體中原子之間的距離具有相同的量級,用X射線照射晶體時就可以觀察到干涉現象。
其實,勞厄只是用晶體作為材料來證明X射線屬于電磁波。勞厄的看法很快被實驗否認,一舉解決了X射線的本質問題。意外的結果是,這些方式為晶體微觀結構的研究提供了有力的工具,進而揭露了更多“諾貝爾水平”研究的帷幕。
之后從光的三維衍射理論出發,勞厄按照幾何理論迅速完成了晶體X射線衍射理論,并成功地解釋了實驗結果。勞厄的工作為電子揮發性實驗驗證奠定了重要的基礎,并為之后數學學的發展作出了杰出的貢獻。愛因斯坦曾把勞厄的實驗稱為“物理學中最美麗的實驗”。勞厄因證明X射線屬于電磁波而于1914年獲得諾貝爾化學學獎。
借助勞厄通過晶體發覺的X射線衍射現象,日本學者克拉科夫母子對晶體結構進行了深入研究。小克拉科夫提出,X射線在晶體中的衍射可以看作是X射線從晶體中原子的反射。借助他母親和他弟弟克拉科夫發明的電離室,這一觀點得到了1913年小克拉科夫的否認,并導入了X射線反射存在條件的多項式,即知名的克拉科夫公式。1914年,克拉科夫兄妹率先測定了硫酸鈉、氯化鉀和金鋼石的晶體結構。借助X射線衍射的結果,可以剖析原子的排列、離子群的結構、原子的大小和原子核之間的距離。她們在研究晶體密度的基礎上,精確測定了阿伏伽德羅常數,并于1915年獲得諾貝爾化學學獎。
在物理與生理學領域折桂
1916年,比利時科學家德拜發展了勞厄的晶體結構X射線研究方式,用粉末晶體取代難制備的大塊晶體。經X射線輻照后,在粉末晶體樣品的拍照底片上可獲得同心圓衍射圖樣。該技術可用于樣品成份的鑒別和細胞大小的測定。1936年,德拜獲得諾貝爾物理獎,其中X射線晶體制備技術是緣由之一。
來自小克拉科夫的中學生霍奇金借助X射線衍射技術,測定了生物大分子的空間結構,并于1964年獲得諾貝爾物理獎。一開始,小克拉科夫只是用X射線來確定簡單晶體的結構物理學家誰憑著發現x射線的巨大成就,而他的中學生霍奇金則成功地借助老師構建的技術來確定胰島素和胃蛋白酶的結構,成為第一位用X射線結晶學成功剖析生化結構的學者,因而獲得了諾貝爾物理獎。
玻爾、薛定諤和小克拉科夫的得意門生鮑林,還借助X射線衍射研究了物理鍵和復雜分子結構的性質,并獲得1954年諾貝爾物理獎。他除了是物理界的超級名星,并且在1962年獲得了諾貝爾和平獎。
小克拉科夫的另一位高徒佩魯茨借助重原子技術提升了X射線的幀率,發覺了血紅蛋白的結構,進而獲得1962年的諾貝爾物理獎。佩魯茨是沃森和克里克的實驗室導師,她們發覺了DNA的雙螺旋結構。事實上,DNA雙螺旋結構之所以被提出,是由于X射線衍射技術才能清晰地看見DNA的結構。
米歇爾和胡伯爾還借助X射線結晶學方式確定了真菌光合中心蛋白復合體的三維結構。她們在1988年分享了諾貝爾物理獎。1979年諾貝爾醫學或生理學獎,由柯麥科和豪恩斯弗爾德分享,以嘉獎她們發明了計算機X射線斷層攝影術(CT)。因為她們在核磁共振領域的成就,法國科學家勞布爾和美國科學家曼斯菲爾德分別獲得2003年諾貝爾醫學或生理學獎。實際上,磁共振成像技術是從X射線斷層成像中發展上去的。
一種基本化學現象的發覺引起了10多項諾貝爾獎,這可能是史無前例的。倫琴假如天上有知,那位不愿為自己的發明發覺申請專利、只希望自己的發覺能惠及全人類的科學巨人應當倍感滿足。其實倫琴大師根本不在意物理學家誰憑著發現x射線的巨大成就,他對人類的巨大貢獻也難以用諾貝爾獎來解釋。