卡文迪什實驗室諧波減速機原理和結(jié)構(gòu)圖的創(chuàng)建及其對化學(xué)的重要貢獻

袁振東 邵會聰

（河南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453007）

摘要

通過對卡文迪什實驗室成立百年諾貝爾獎獲得情況的分析可知，物理學(xué)等學(xué)科的發(fā)展能為化學(xué)的發(fā)展開創(chuàng)新領(lǐng)域或為化學(xué)問題的解決提供新方法，如電子、質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)使化學(xué)認識從宏觀到微觀，X射線晶體學(xué)為晶體結(jié)構(gòu)研究提供諧波減速機原理和結(jié)構(gòu)圖了新手段?；瘜W(xué)的發(fā)展不是獨立的，而是根植于整個自然科學(xué)發(fā)展的土壤中。

關(guān)鍵詞

　　卡文迪什實驗室；化學(xué)貢獻；諾貝爾獎

　　卡文迪什實驗室（Cavendish Laboratory）是英國劍橋大學(xué)的物理實驗室,在近現(xiàn)代物理學(xué)史上的地位是舉世公認的。迄今為止，關(guān)于卡文迪什實驗室的研究有很多，主要包括以下幾類：卡文迪什實驗室對近代物理的影響[1]、卡文迪什實驗室?guī)状魅蔚呢暙I[2]、卡文迪什實驗室是諾貝爾獎的搖籃[3]及實驗室創(chuàng)建的啟示[4-6]等。事實上，卡文迪什實驗室對化學(xué)發(fā)展的影響也是巨大的。那么，卡文迪什實驗室創(chuàng)建背景和實驗室宗旨是什么呢？卡文迪什實驗室對近代化學(xué)的貢獻有哪些？本文擬從卡文迪什實驗室創(chuàng)建百年獲得的諾貝爾獎進行分析，從中梳理和研究其對20世紀化學(xué)的影響。

　　3

　　卡文迪什實驗室對化學(xué)發(fā)展的間接貢獻

　　3.1布拉格父子——用X射線對晶體結(jié)構(gòu)的研究

20世紀初，在碳原子的四面體結(jié)構(gòu)、原子核和核外電子殼構(gòu)成原子學(xué)說的基礎(chǔ)上，化學(xué)家們普遍認識到共價鍵是原子結(jié)合成分子的原因。在測定一批簡單化合物如NaCl、KCl、 KBr、KI和閃鋅礦等的晶體結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)分離不出獨立的分子。是否存在沒有分子的物質(zhì)，這個疑問一直困擾著化學(xué)家們。

1912年德國科學(xué)家勞厄(Max von Laue, 1879—1960)發(fā)現(xiàn)X射線晶體衍射現(xiàn)象，既證明了X射線的波動性，又驗證了晶體空間點陣假說的正確性，開創(chuàng)了X射線衍射物理學(xué)的研究。勞厄的發(fā)現(xiàn)引起了布拉格父子——英國物理學(xué)家亨利·布拉格(William Henry Bragg, 1862—1942）和物理學(xué)家勞倫斯·布拉格(William Lawrence Bragg, 1890—1971)的關(guān)注。當(dāng)時亨利·布拉格擔(dān)任利茲大學(xué)的物理學(xué)教授，勞倫斯·布拉格畢業(yè)于劍橋大學(xué)并留在卡文迪什實驗室工作。1912年，勞倫斯·布拉格在卡文迪什實驗室反復(fù)研究，最終得出這是一種波的衍射效應(yīng)，并且對閃鋅礦(ZnS)的勞厄衍射圖進行了標定，得出閃鋅礦ZnS的晶體結(jié)構(gòu)。勞倫斯·布拉格還用勞厄衍射圖解出了堿金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)，同時提出原子半徑的概念，這是首次被X射線分析解出的晶體結(jié)構(gòu)。1913年，亨利·布拉格設(shè)計制成X射線分光計，測定了金剛石的結(jié)構(gòu)。此后，勞倫斯·布拉格還利用X射線分光計測定了熒石、黃鐵礦和方解石等的晶體結(jié)構(gòu)。1914年，2人聯(lián)合寫作《X射線與晶體結(jié)構(gòu)》（X-rays and Crystal Structure）一書，在這本書中總結(jié)了他們在X射線晶體結(jié)構(gòu)分析所做的工作[22]。

亨利·布拉格側(cè)重于研究X射線的光譜，發(fā)現(xiàn)X射線光譜中含有連續(xù)譜段和特征譜線。晶體結(jié)構(gòu)的測定主要依靠特征射線。同時，英國物理學(xué)家莫塞萊（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887—1915）利用這項技術(shù)去確定和比較各種元素的標識X射線輻射的波長，并證明元素是按照他們的核電荷數(shù)決定的，還確定了尚未被發(fā)現(xiàn)元素的空位。勞倫斯·布拉格側(cè)重于研究X射線晶體結(jié)構(gòu)的分析，以定量觀測原子在晶體中的位置，在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上開創(chuàng)了X射線晶體學(xué)，打開了探索原子分子尺度的微觀世界的大門，使化學(xué)家對晶體的認識從宏觀到微觀，提高到一個新的水平，具有劃時代的意義。

　　3.2巴克拉——元素具有標識X射線譜的發(fā)現(xiàn)

1895年，德國物理學(xué)家倫琴（Wilhelm Rntgen，1845—1923）發(fā)現(xiàn)X射線，但X射線的概念并未建立。1902年，由于J. J. 湯姆遜的原子模型理論需要從散射現(xiàn)象中獲得，英國物理學(xué)家巴克拉（Charles Glover Barkla，1877—1944）開始X射線散射的研究。盡管該研究主要在利物浦完成，但是J. J. 湯姆遜在其中發(fā)揮了重要的的指導(dǎo)和鼓舞作用。巴克拉第一個發(fā)現(xiàn)X射線的二次輻射具有2種成分，一種是X射線散射未經(jīng)改變的部分，另一種是因物質(zhì)而異的熒光輻射。熒光輻射與被散射物質(zhì)的組成有確定的關(guān)系，即X射線具有標識特定元素的特性。1909年，巴克拉把X射線的2種成分分別稱為K輻射和L輻射。每種元素都有特定的K線和L線，這些譜線的吸收率與發(fā)射元素的原子量呈近似的線性關(guān)系，因此X射線標識譜線是揭示原子結(jié)構(gòu)的重要途徑，對原子結(jié)構(gòu)理論的建立起到極其重要的作用[15]82-83。

　　3.3G. P. 湯姆遜——發(fā)現(xiàn)晶體對電子衍射的現(xiàn)象

1924年，法國理論物理學(xué)家德布羅意（Louis Victor de Broglie，1892—1987）在《哲學(xué)雜志》發(fā)表了第一篇關(guān)于物質(zhì)波的論文。1926年，英國科學(xué)促進會（British Association for the Advancement of Science）對德布羅意理論進行討論。這2個事件引起英國物理學(xué)家G. P. 湯姆遜(George Paget Thomson,1892—1975)極大的興趣。G. P. 湯姆遜采用電子束通過高壓加速，穿透固體薄箔，衍射物質(zhì)為多晶體，可直接產(chǎn)生衍射環(huán)。電子衍射實驗證實了電子的波動性，在實驗上確立了量子理論的基本思想——物質(zhì)的波粒二象性，因而對物理化學(xué)的發(fā)展有著重大意義。電子衍射實驗，不僅驗證了德布羅意物質(zhì)波理論，還為很多實驗領(lǐng)域特別是在物理和化學(xué)領(lǐng)域提供了新的方法和手段[23]。

　　3.4M. F. 佩魯茲、J. C. 肯德魯——對血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)的測定

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測定曾困擾科學(xué)家們將近半個世紀。由于蛋白質(zhì)分子量大、原子之間的結(jié)合方式和空間分布排列情況極其復(fù)雜，一般的化學(xué)分析方法和常規(guī)的儀器不能解決。1936年，奧地利裔英國生物化學(xué)家M. F. 佩魯茲（Max Ferdinand Perutz，1914—2002)來到卡文迪什實驗室，跟隨英國科學(xué)家貝爾納(J. D. Bernal,1901—1971)從事X射線研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。1937年，勞倫斯·布拉格任卡文迪什實驗室主任，給M. F. 佩魯茲物質(zhì)和工作上極大的支持和幫助。1947年，M. F. 佩魯茲與英國生物化學(xué)家J. C. 肯德魯（J. C. kendrew,1917—1997）合作，建立了醫(yī)學(xué)研究所分子生物學(xué)研究所[24]。他們采用“重原子技術(shù)”，用某些重金屬的單原子加進蛋白質(zhì)分子中可使X射線衍射圖發(fā)生明顯清晰的改變。1960年，先后獲得肌紅蛋白和血清蛋白的X射線衍射圖，并通過電子計算機運算確定出每個原子在空間的位置和結(jié)合方式，最后得到了球蛋白分子的精確的三維空間的結(jié)構(gòu)圖像(包括構(gòu)型和構(gòu)像)[25]。這個研究成果，對生物化學(xué)和現(xiàn)代分子生物學(xué)的興起和發(fā)展起了巨大的推動作用。

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　　引用本文

　　袁振東, 邵會聰. 卡文迪什實驗室的創(chuàng)建及其對化學(xué)的重要貢獻[J]. 化學(xué)教育（中英文）, 2017, 38(14): 76-81

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