歷史 物理

1914年諾貝爾物理獎:馬克斯・范勞厄

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-04-01
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  • 如何證明X射線是一種電磁波動?1914年諾貝爾物理獎得主馬克斯・范勞厄(Max von Laue)發現了X射線的繞射現象,證明了其波動性質。
     馬克思
           [馬克斯‧范勞厄的諾貝爾獎官方照片。]
     
    1901年,第一屆諾貝爾物理獎授與倫琴,表揚他在1896年發現X射線。往後十多年間,許多科學家投入X射線研究,可是一直未能證明X射線到底是粒子還是波動。難度在於X射線的能量高,不容易設計實驗去觀察其波動性質。

    波動有許多物理特性,例如折射、繞射、干涉等等。如果X射線是電磁波,那麼就必定會如同可見光一樣,會折射、繞射、干涉。可是,由於X射線的波長非常短,折射率非常接近1,以當時的技術不可能觀察到X射線的折射。
     
    繞射實驗也不容易。根據繞射定律,繞射光柵的間距通常設為繞射波長的10倍或以下。X射線的波長約為1納米上下,所以光柵間距就約等於10納米。但這大小的光柵難以製造,因為10納米已差不多等於晶體中原子之間的距離了。
     X線晶體繞射
    [范勞厄在諾貝爾講座展示的X射線晶體繞射實驗結果。圖片來自范勞厄的諾貝爾獎講座。]
     
    然而范勞厄卻想到可以直接使用晶體作為繞射光柵。不過,當年科學界仍然不確定晶體的結構,因此范勞厄的晶體繞射實驗並不一定能夠成功。范勞厄和他的實驗團隊使用一個有洞的鉛盒,X射線源放在中央,所以X射線就只能向一個方向發射。這也是後來很多放射性實驗的基本設置。他們發現,放於晶體兩旁和後面的菲林顯影出繞射光譜。他們發現,實驗光譜(上圖)與波動繞射預測的結果一樣,因此就證實了X光是種波長極短的電磁波。

    范勞厄以晶體進行X射線繞射實驗,除了證實其電磁波性質外,更開創了一門新學問:X射線晶體學(X-ray crystallography)。物理學家能夠透過X射線的繞射、散射光譜,準確估計晶體之中原子的結構和排列。尋找DNA和很多藥物的化學結構,都依賴X射線晶體學的研究。

    科學研究帶來的結果,往往出人意表。X射線晶體學對科學、醫學發展都非常重要。1914年與1915年的諾貝爾物理獎,都頒給對X射線晶體學有重大貢獻的科學家。我們下回再來分解!
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