诺贝尔物理学奖史演义(十四)—— 耿直教授演绎“最美的实验”

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-07-30

被爱因斯坦称为“物理学上最美的实验”,到底是谁操作的?

诺贝尔物理学奖史演义(十三)——“零度先生”昂内斯挑战极限

“很多人都认为X射线是粒子流,但我还是认为它是电磁波,只是现在还没人能证明而已。”1909年夏,在德国慕尼黑大学物理学院的一处会议室里,年轻的物理学教授马克斯·冯·劳厄激动地讲道。在位几位都是他的同行,其中包括伦琴的学生克尼平、本校索菲末教授的助教弗利德里奇、慕尼黑大学物理学高材生厄瓦尔等。大家经常聚会,彼此熟悉,所以说话也比较直接。

德国慕尼黑大学(来源:留学网)

德国慕尼黑大学(来源:留学网)

作为欧洲乃至世界最具声望的综合性大学之一,慕尼黑大学20世纪初有两位著名教授颇受欢迎,其中一位就是劳厄。劳厄除了讲课精彩外,还经常邀请同行来参加研讨,研讨主题通常是当时的前沿科技和科学新概念。从1908年开始,劳厄主持研讨的主题就是:X射线本质的探讨。本演义第一集中讲道,1895年物理学家伦琴在极偶然的情况下发现X射线并因此获首届诺贝尔物理学奖。(感兴趣请戳<<<)自此,关于它本质问题的讨论就很火,且有愈演愈烈的趋势。

这才有劳厄在讨论会上发言的一幕。

同行热论新射线

劳厄与厄瓦尔、克尼平等讨论激烈,谁也说服不了谁。

“是不是可以用X射线照射固体,根据照射情况来判定?”厄瓦尔突然提出一个建议。

“应该是用X射线照射晶体,看是否产生干涉现象。因为一般固体的内部结构和运动形式太复杂了,晶体不但内部结构简单且有一定规律。”劳厄也来了灵感,“如果产生干涉现象,那X射线就是电磁波。”

波的衍射现象示意图(图源:新物理网)

波的衍射现象示意图(图源:新物理网)

劳厄说得很有道理。波具有折射、干涉、衍射等,如果X射线也像光一样会折射、干涉的话,那它肯定是电磁波。问题是X射线的波长很短很短,折射率很小很小,以当时的技术,科学家们根本观察不到它的折射情况。劳厄只有通过观察X射线的干涉或衍射才能证明它是不是电磁波。

毕竟研究X射线有些年头,劳厄一语中的。但他更明白,要证明这点,一定要策划精密的实验。朋友爱因斯坦也这样对他讲过。

最美实验新发现

好事多磨。正当劳厄准备找厄瓦尔等同行进行实验的时候,他接到去法国法兰克福大学等名校考察的通知,这一拖就是3年。1912年春,他一回到慕尼黑大学就找来厄瓦尔、弗利德里奇,开始做追寻X射线本质的实验。

他让厄瓦尔制作了一组器材,包括持续发光的X射线光源、照相底片、规则的方形晶片,其中方形晶片的大小只是照相底片的一半。试验中,他先让弗利德里奇屏蔽自然光,再把X射线的光源与照相底片平放桌上,相距约一米,最后把方形晶片放在光源与底片的正中间。他们观察发现,照相底片有排列规则的斑点群。很显然,斑点群是X射线穿透方形晶片产生的。

劳厄展示的X射线晶体绕射实验结果(图源:物理双月刊网)

劳厄展示的X射线晶体绕射实验结果(图源:物理双月刊网)

“这应该是衍射现象,”厄瓦尔先道,“衍射现象说明,X射线具有电磁波的性质。”

“有道理。不过我们还要多试几种晶片,至少十种,免得人家说这是巧合。”劳厄强调。

接下来,他们又在实验中更换了多种不同物质的晶片,结果底片都出现有斑点群。换言之,就是X射线穿透晶片时发生了衍射现象。所谓衍射,是指波在传播过程中,如果遇到波长较小的物体阻挡,波可以绕过去继续传播。声波就是最好的例子。

很快,劳厄发表了一篇关于X射线的论文。文中,他从光的衍射理论入手,用几何方法解释了X射线在晶体中的衍射理论,最后总结说X射线是一种电磁波,未来将有重要的用途。他还在文中指出,不同晶体在接受X射线辐射时所产生的衍射花样,也可以反映出晶体内部的原子分配规律,这就是X射线衍射的基本原理。

劳厄的试验原理(图源:新物理网)

劳厄的实验原理(图源:新物理网)

爱因斯坦看到挚友的论文后感叹道,这个揭示晶体微观规律的实验是“物理学上最美的实验”,劳厄也由此获得了1914年的诺贝尔物理学奖

劳厄发现的X射线衍射理论,后来被应用到研究金属和合金的晶体结构上,并且获得很多具有重大意义的新发现。X射线衍射的发现,促进了X射线分析的发展,随着技术的革新,它与计算机技术结合,加快了晶体研究的分析速度和准确性。科学家由此发明了专门用于研究矿石原子结构的X射线衍射仪,用来对地球深度的岩石。可以说,正是因为有了X射线衍射理论,才能给地球拍出一张准确的“胸透片”。

另一方面,劳厄从理论到实验证明了X射线具有电磁波的特性,与晶体相遇会发生衍射现象,这一理论有效推动了固体物理学的发展,是固体物理学上里程碑式的发现。

科学楷模竞相赞

发现X射线的晶体衍射获得诺贝尔奖后,劳厄又到苏黎世大学、法兰克福大学、洪堡大学等高等学府任教,深受师生们好评。1919年,他回到德国柏林大学任物理学教授。此后他一直定居德国,曾被选为德国物理学会会长,成为德国物理学界的权威之一。

劳厄的诺贝尔官方照片(来源:物理双月刊网)

劳厄的诺贝尔官方照片(来源:物理双月刊网)

耿直的劳厄得罪过纳粹,并一度被限制自由。但他多次尽力拯救同行,维护科学的尊严,得到了业界的尊重。1946年在英国皇家学会主持召开的国际结晶会议上,各国科学家都称赞他是“值得尊敬的人”“科学家的楷模”。1957年,法国政府授予劳厄荣誉军团勋章,表彰他捍卫科学家的尊严和自由。

关于劳厄与诺贝尔物理学奖,还有一段趣事。1940年,德国占领丹麦,纳粹政府派兵搜查科学家玻尔(1922年诺贝尔物理学奖获得者,更多故事请戳<<<)的实验室。玻尔对劳厄委托保管的诺贝尔奖奖牌十分重视。在化学家赫西的帮助下,他把纯金制的诺贝尔物理学奖奖牌放在王水(盐酸与硝酸混合液)中溶解,从而让奖牌躲过一劫。9年后,美国芝加哥市举行了诺贝尔奖牌归还仪式,市长把重铸的奖牌交还给劳厄。这也成为诺贝尔奖史上的一段佳话。

德国发行的劳厄百年纪念邮票(图源:物理双月刊网)

德国发行的劳厄百年纪念邮票(图源:物理双月刊网)

话说劳厄发现X射线穿过晶体会产生衍射的消息传到英国,不少英国学者对此进行深入研究。其中一对父子物理学家发现,可以根据晶体衍射的各种花样来鉴定物质的成分和结构特征,并成功测出金刚石的晶体结构,最终为建立现代晶体学奠定了基础。这对父子科学家是谁?他是怎么发现金刚石的晶体结构的?……欲知后事如何,且听下集分解。

扫码加蝌蚪五线谱微信