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X射线衍射发现的那些事(X射线衍射发现100周年) 精选

已有 9399 次阅读 2012-6-9 00:26 |个人分类:科海拾贝|系统分类:人物纪事| 射线, 衍射

(翻译改编自P.P. Ewald编写的《X-ray衍射发现50周年》:http://www.iucr.org/publ/50yearsofxraydiffraction)


其实就是劳埃(
Laue)那些事。劳埃比我整整大一个世纪,是187910月生德国人。

劳埃早年(1899年)在德国三个大学学习数学、物理、化学,后来普朗克1900年搞出了量子理论,劳埃就跑到柏林去,当了普朗克(Plank)的学生,1903年在柏林拿了博士学位。劳埃后来又在德国跑了几个不同的地方,也曾回普朗克那里呆过,但最终(可能)由于个人原因他还是回到了慕尼黑。

1909年秋天加入索墨菲(Sommerfeld)在慕尼黑的研究组。索墨菲当时已经是有名的大科学家,在编一本名为《数学科学百科全书》的大部头,邀请了一批豪华阵容的物理学家,什么洛仑兹啊,玻尔兹曼啊,范德华啊帮着写。劳埃也参与了其中,编写波与光学的部分。

劳埃也终于在慕尼黑结束了近30年的光棍生涯,娶了一位老爸是巴伐利亚警官的美丽非凡的十分迷人的巴伐利亚女孩(此事不是据说,确实如此)。

 

19121月的时候,索墨菲组里的研究生,意沃德(Ewald)正在撰写他的博士论文,这家伙是研究晶体光学理论的,他发现他的研究结果与传统理论存在激烈的背离。意沃德知道劳埃混得地方多,也的确对物理学很多方面都精通,因此意沃德期望与劳埃讨论讨论他的博士论文。

劳埃与意沃德第二天就见面并讨论了意沃德的研究结果,然而,另意沃德吃惊的是劳埃居然对意沃德的工作完全不懂。

意沃德对自己的工作一番详细介绍后,劳埃突然问:如果极短波长的波穿过晶体,你觉得有可能发生什么现象?

意沃德打开他的论文,翻到第六段公式7,说:这个公式显示了结果,没有作任何近似或忽略,只需要讨论下这个公式在短波长下的情况。然而我必须几天内递交论文准备答辩。非常欢迎您来讨论这个公式。

意沃德216日递交了论文,35日答辩,在他的论文中提出了倒易晶格reciprocal lattice)的概念。不过意沃德忙得晕头转向,跟劳埃讨论过后他就把劳埃对短波长光特别感兴趣这事给忘了,直到他后来得知劳埃的X射线衍射实验结果。


但是劳埃没忘。

被索墨菲逮住编写大百科全书光与波部分的经验告诉劳埃:如果波长与原子间距可比,将会发生衍射,就像光栅一样。但与光栅不同,晶体中的原子是三维的。的确,三维光栅这种概念并没有人想到,在当时甚至可以说是疯狂的想法,但劳埃的直觉告诉他那一定可以。

随后一年一度的复活节Easter到来,这帮子物理学家有个传统,就是在复活节聚到阿尔卑斯山去滑雪。这时候劳埃和索墨菲等一帮子物理学家交流了这个想法。然而,索墨菲听了劳埃的想法后十分反对(理论物理学家的实验直觉啊),认为那不可能实现。原子的热运动会达到0.7埃,超过当时人们所以为的X射线的波长(0.4-0.6埃)。索墨菲是如此认为劳埃真心不靠谱,甚至强烈反对让他刚雇佣的实验助理Friedrich为劳埃的实验工作。

劳埃作为理论组的实验青椒真是苦逼啊。

不过劳埃觉得,这实验并不难做,至少该trytry吧。Rontgen(伦琴,X-ray发明人)研究所的Knipping(倪平)刚刚完成了论文,知道这事后,为了减少Friedrich为劳埃工作的时间(以保证足够的为索墨菲打工的时间),志愿加入到劳埃的实验中来

第一次实验,屏幕放在样品前,结果negative。第二次,屏幕放到样品后,衍射斑图就出现了。

劳埃当时正在咖啡店喝咖啡,得知这一结果后立即赶回研究所,说服自己他的直觉成功了。回家的路上,他边走边想,突然意识到了只要将原有的光栅公式同事应用到在三个方向上,就可以得到晶体中的三维结构的衍射理论。在他的回忆录中写道:那对我是具有决定性意义的一天。

伦琴是最早知道实验结果和看到实验装置的大科学家。他对实验中得到的照片惊叹不已,但却依然对衍射的解释却并不认同。两位实验学家又当着他的面折腾了几个不同的实验,伦琴勉强认同了照片上的斑图的确来自于晶体而非其他原因,但他依然不认同那是衍射造成的。

191268日,索墨菲作为巴伐利亚科学院院士代表劳埃三人在巴伐利亚科学院会议上通报了他们的研究结果,伦琴也在场,他终于接受这一成果并强调了其重要性。

同一天,在柏林举行的柏林物理协会会议上,劳埃自己也向他原来在柏林的研究组里的物理学家们报告了他的研究成果。

后面的事,就剩下两年后1914劳埃因X射线衍射的发现荣获诺贝尔物理学奖了。





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