X射线趋于热门

X射线趋于热门

即使在第一次世界大战前不久，普朗克、爱因斯坦、卢瑟福和玻尔唱出了物理学的主旋律，我们也决不应忘记为他们伴奏，并大大加强了音乐效果的管弦乐队。

晶体结构被认为是组成原子的规律性排列，已有一个多世纪。R.J.豪伊（R.J.Haüy，1743～1822）替原子的这种假设性排列描绘了一幅幅美丽的图画。这些图画的现代复本就叫做空间点阵。作为一个范例，我们必须想象所有原子都位于具有整数坐标的各点上。结晶学的许多定律，由于承认了此种假设的结构才能被证明是合理的，但是，只是在1912年，它们才被人们看见或显示出来。

在慕尼黑索末菲的研究所里，P.厄瓦耳（P.Ewald）为撰写博士论文，正研究电磁波在空间点阵中的传播。在那个时期，大约1911年前后，关于X射线的各种见解正不断发展，不断扩充。X射线是类似于光的短波电磁振动的设想似乎合理，其波长的估算正在进行。X射线通过一狭缝产生的某些衍射现象，用其波长和点阵中原子间距差不多大小这一点就可解释。

随后，马克斯·冯·劳厄（1879～1960）对人们让X射线通过一种晶体时所预料的衍射现象作了理论研究。W.弗里德里希（W.Friedrich）和P.克尼平（P.Knipping）用伦琴实验室的装置对他的结论作了直接的验证，立即获得极为清晰的衍射图象，完全证实了冯·劳厄的计算结果（图7.7和图7.8）。晶体作为三维衍射光栅，其周期性可通过原子排列的规律性给出。这种天然光栅，要比罗兰（H.Rowland）、迈克尔逊以及另一些学者在他们那个时期用人工划出的光栅大约精细一千倍，它们就象人造光栅适合于可见光一样地适合于X射线。

冯·劳厄的新发现引伸出无数的结果。V.H.布拉格（H.Bragg）和W.L.布拉格父子在英格兰的利兹几乎马上就把晶体用作光栅，以建造实际的X射线摄谱仪，把光谱线的研究扩大到波长比可见光大约短一千倍的范围。

可见光谱是由原子外层电子的运动引起的，X射线光谱则起源于原子的最内层电子。因此，X射线光谱显现了光谱中未曾了解到的规律性。它们受原子序数亦即受核电荷支配，这一事实由H.G.J.莫斯利（1887～1915）在布拉格父子新发现之后马上作出了证明。

莫斯利的命运是悲惨的，他的生平极为感人。不论从他父系，还是从他的母系来讲，他都是科学家的后裔。他在伊顿公学受到英国最好的公立学校的传统教育。在曼彻斯特大学，他在卢瑟福指导下开始从事研究工作，后转学到了牛津大学。在英国科学家当中，他无疑是一名正在崛起的主要明星，是一位极刻苦的研究工作者（图7.9）。在短短几年的实验生涯中，他取得了具有永恒价值的结果，博得了不朽的声望。第一次世界大战开始，他应募参加义勇军，为了英国的科学事业，卢瑟福和其他一些人企图挽留他，使其不冒生命危险，但他全然不顾，坚持履行战斗职责。他在邱吉尔所部署的达达尼尔远征中阵亡，年仅27岁。

战前，莫斯利已经证明X射线为测量核电荷Z，别名原子序数，提供了一种简便的方法。光谱中某些醒目的X射线谱线，其频率与Z2成正比。因此，要是人们描绘波长倒数平方根与原子序数的关系曲线，便得一条直线（图7.10）。如果缺少一种元素的X射线，用内插法就很容易预言。利用此种方法，莫斯利用一个下午的时间就能解决化学家困惑几十年的问题，并能确定可能存在的稀土元素的真实数目。当法国著名化学家于尔班把他辛劳多年获得的稀土样品带给莫斯利的时候，他只屑用几个小时就能作出分析，向感到惊谔的化学家揭示它们的含量。正象莫斯利很快就认识了的那样，他的发现同玻尔原子有直接的联系。只要用一个特定的比例常数插入给出n1=1和n2=2的氢光谱线的一般公式，就可获得莫斯利定律。(https://www.daowen.com)

莫斯利的发现还为确切地肯定一些空缺的化学元素的存在提供了一种方法。在他那个时代，这些元素的原子序数是43，61，72，85，87；周期表终止于Z=92（铀）。在以后的几年当中，亥维赛和D.科斯特（D.Coster）于1923年在玻尔实验室从锆矿中发现了元素72；他们依照哥本哈根的拉丁名字把它叫做铪。柏林的伊达和瓦尔特·诺达克，在几种矿物中找到了元素75；在德国人爱国热情突然爆发的过程中，他们称元素75为铼[2]（莱茵河是德国和法国之间长期持续摩擦的一个原因）。在这些发现的过程当中，X射线分析是最为重要的。

87号元素钫是玛格丽特·佩雷（Marguerite Perey）在1939年发现的，作为天然放射族中的稀土分支；而元素镤91，是1917年由奥托·哈恩和莉斯·迈特纳发现的，它是铀的一种衰变产物。放射方法在后两种情况下比X射线分析法更为重要。

剩下的元素，因为它们是放射性元素，半衰期相当短，在地球上实际是不存在的，因此，即使它们曾经出现过，在地质变迁时期也已衰变完了。这些元素必须通过核轰击用人工办法产生。用此办法得到的第一个放射性物质是元素43锝（希腊语意指人造）。它是卡洛·佩里埃（Carlo Perrier）和赛格雷1937年用伯克利回旋加速器在轰击钼的过程中发现的。1946年，查尔斯·科里尔（Charles Coryell）和其他一些人在核反应堆中用人工方法制备了元素61钷。科森（Corson）、麦肯齐（Mackenzie）和赛格雷在1940年用回旋加速器还制备了元素85砹。在哈恩和斯特拉斯曼发现核裂变之后，接着就是周期表在元素铀之后的扩展。

X射线谱学这门新兴的科学，不仅容许用前所未有的灵敏度和准确性来研究深层的电子壳层，作元素化学分析，还为探索晶体点阵，或者更一般地说，为探索分子和固体结构开辟了道路。这一技术已经导致结构分析这一新的活跃学科的产生，它是从矿物学到分子生物学多种学科的基础。

实际上，分子生物学在生物学中已经引起了一场革命，这场革命简直可与量子力学在物理学中引起的革命相媲美；它开拓了崭新的前景。这一新兴的科学分支取得了物理学必不可少的帮助，而这种帮助则是通过119页上提到的放射性示踪源及X射线结构分析的应用实现的。

我们已经看到，放射性核的同位素概念已慢慢地建立起来，而汤姆逊在证明存在两种除原子量不等外，化学性质相同的氖原子时，已经把同位素概念扩大到了稳定核。战后不久，F.W.阿斯顿开始建造了一系列测量同位素质量和丰度的精密质谱仪。阿斯顿在这一研究领域中曾多年居于绝对的优势，提供了许多有意义的结果。我们已经讲过“整数规则”。精确的质量测量结果与爱因斯坦公式E=mc2结合后，提供了核反应过程中能量释放和吸收的情况，因此它们对核物理学已成为必不可少了。今天，质谱法和核反应数据的结合所允许确定的核质量，在最好的情况下，其精度可达1/109。然而，同位素的研究已经大大扩展到了其他领域，从地质学到考古学，从真空技术到生物学，其应用范围之广，简直不胜枚举。

这些就是不同学科之间相互依赖的著名例子。它几乎就象在观察一种活的有机体，在该有机体中，各种器官以复杂的有时甚至是不可思议的方式进行合作。