巧妙的构想 大胆的创新--劳厄与X射线衍射的实验.doc

巧妙的构想 大胆的创新劳厄与X射线衍射的实验 摘 要：本文通过劳厄对X射线衍射的实验构想，来展现他的思维方法的独创性，从中得到对我们的科学研究工作的启迪关键词：马克斯劳厄；X射线衍射；晶体；光栅；劳厄图Ingenious design and daring innovate Laue and his experiment about the diffraction of X ray Abstract: In this paper, Laue shows the original creation of his ideation through his experiment about the diffraction of X ray. That brings about some enlightenment in our scientific researchKey words: MaxvonLaue, the diffraction of X ray, crystal, grating, the figure of Laue1824年，西伯尔首先把原子学说用于晶体结构，他大胆地假设：原子像“砖块”一样有规则地排列在点阵上，并用它来解释晶体的各种性质1912年，劳厄把晶体作光栅，用X射线照射晶体得到一张漂亮的“劳厄图”他不但把晶体中原子按空间点阵结构规则排列的图景无可辩驳地展现给整个世界，同时也证实了X射线具有波动性1 生平 马克斯冯劳厄（MaxvonLaue）1879年10月 9日生于德国科布伦茨附近的普法芬多夫年青时代由于受到高林教授的影响，在其指引下走上了严谨科学的道路1898年，劳厄考入斯特拉斯堡大学并听实验物理学大师布朗的课程；后转学到格廷根大学，听希尔伯特（DHilbert）和克莱因（Klein）的数学课，他一生都认为：“希尔伯特是最伟大的天才”1接着，劳厄去慕尼黑大学学习了一个学期在这所大学，他遇到了伦琴（WKRntgen），并在实习课上和这位伟大的物理学家交谈过这次交谈，使青年劳厄怦然心动，终生难忘劳厄后来的成功，都与伦琴的发现有着千丝万缕的关联1902年劳厄进入柏林大学，并在普朗克（MPlanck）教授的指导下学习；1903年初夏，劳厄以“关于光在平行平面薄板上的干涉理论”1的论文获得哲学博士学位，毕业后受聘在格廷根大学任教 劳厄是普朗克最得意的学生之一，而且在许多方面，他都十分酷似他的老师1905年，劳厄受普朗克的邀请前往柏林大学当助教1906年11月，他发表了“干涉现象热力学”，并将普朗克“熵”的概念应用于辐射场，证明了相干光束的熵等于构成它的各相干光束的熵而不是它们的和普朗克评论道：“劳厄已经具有独立研究重大科学问题的能力”21906年劳厄被提升为讲师，1909年，劳厄应慕尼黑大学之邀去讲授光学、热力学和相对论1912年，他又和他的助手W弗里德利希（WFriedrich）和P克尼平（PKnipping）一起，发现了X射线在晶体中的干涉现象而使他闻名于世，并于同年被聘为苏黎世大学的物理学教授1914年他以物理教授的身份来到了莱茵河畔的法兰克福大学，并在这一年因X射线衍射现象的发现，使他荣获诺贝尔物理学奖 1919年初，劳厄受聘为柏林大学理论物理学教授，1920年，成为德意志最高的学术机构的成员普鲁士科学院院士；1921年，劳厄又成为威廉皇家物理研究所所长；1943年由于站在反法西斯立场上被中止在柏林大学的职务1945年4月，他同哈恩（OHahn）、海森堡（WKHeisenberg）等10名德国科学家被英、美特种部队逮捕而成为一群“高雅的俘虏”，3在被俘虏期间他被邀出席了1946年7月在伦敦召开的国际晶体学会议和纪念牛顿的国际会议1947年获准回国成为格廷根大学名誉教授1951年被委任为普朗克物理化学和电化学研究所所长，直到1959年退休，1960年4月24日因发生车祸伤势恶化在柏林去世他一生在科学上硕果累累，在X射线的晶体衍射、狭义相对论和超导等众多领域都留下了深刻的印记2 X射线衍射现象的发现背景1895年，伦琴发现了X射线，并努力寻找过它的干涉或衍射现象，以便确定它是波动还是粒子，但在这个问题上他失败了由于受“以太”学说的影响，伦琴却倾向于认为X射线是“以太”的纵向振动，但事实上X射线的已知性质和它所产生的效应，与以上假说中任何一种都难以吻合，因而这个假设很快被放弃X射线虽然具有直线传播的性质，但却没有发现象光波一样具有反射、折射、干涉和衍射等现象若把X射线看作是阴极射线，可是它在磁场中却不偏转为了研究X射线的波动性质，1899年，哈加和温德曾用一束X射线穿过一个三角形缝隙，试图来证明X射线的波动性，结果没有观察到衍射图像所以他们断定，如果真的存在干涉效应，其波长也必定在109cm以下1908年，瓦尔特和泡尔对此实验作进一步改进，得到的结果更令人失望，他们说，即使有衍射效应，X射线的波长也不会大于1010cm的量级 具有某一波长的可见光，其波长可以根据它被刻痕间距已知的光栅衍射后的情况确定为进行有效的测定，光的波长愈短，单位长度内的刻痕就应当愈多问题是，所有的迹象都表明，X射线的波长较之普通光的波长要短得多，因此为了使X射线发生衍射，就必须有单位长度内刻痕数目极多的光栅，这是当时的光栅制造技术所远远达不到的1912年，德国慕尼黑大学的物理学讲师劳厄，出人意料地提出了一种新的方法，用晶体当作天然光栅一举解决了这个难题 众所周知，慕尼黑是德国的科学文化中心之一，慕尼黑大学在世界上具有很高声望统计物理学家的创始人玻耳兹曼（Boltzmonn）曾在这里工作过，它有众多的学科处于世界领先地位1900年，伦琴因巴伐利亚王室盛情邀请来到这里，主持一个规模最大的实验物理研究所，在他周围聚了一批造诣非浅的年青物理学家，他同时指导十几位博士生，这些年来，他的研究所主要研究X射线的性质问题；伦琴治学严谨，对学生要求非常严格，只有那些顽强钻研，勤奋有为的学生才有机会进入伦琴学院索末菲（Sommerfled）作为接替玻耳兹曼的教席来这里主持理论物理研究所，他发扬理论和实验紧密结合的传统，为了创建现代化的实验室，他和他的同事进行了不懈的努力，他有两位优秀的助手，第一位助手是著名物理学家德拜（Debye），1911年他又增设第二位助手，就是后来劳厄的合作者弗里德利希，这位28岁的年青人刚在伦琴指导下完成X射线散射的博士论文，现在的主要任务是协助索末菲对X射线理论进行实验验证索末菲对光谱学有很深的造诣，十几年来一直关注X射线的理论发展格罗特（Groth）教授主持的矿物学与矿藏学研究所也很有特色，正像劳厄自传中所讲的那样，格罗特继承和发扬了宋开（Sohncke）把数学应用于空间点阵结构的理论传统，坚决捍卫晶体结构的空间点阵假说，他是晶体学方面的权威学者，这样的学术机构在世界上可以说是独一无二的1这三个研究所相距不远，年轻人经常在一起聚会，交换观点，讨论共同感兴趣的问题1909年，劳厄作为普朗克的得意门生应索末菲的邀请回到曾经学习过的慕尼黑大学，任理论物理学讲师职务，他立即被慕尼黑大学浓厚的学术氛围所吸引到慕尼黑不久，索末菲把编篡数学科学百科全书中的“波动光学”这一条目的任务交给劳厄，劳厄为了完成这项任务，必须找出晶格理论的数学表达式来描述栅状晶格，为此，他花了大量精力来钻研晶格理论，使他当时清醒地认识到：原子空间点阵的数学理论，在宋开和格罗特等人的努力下已经达到了用理论解释晶体性质所能达到内部自洽的最高境界，但它不论如何还是一种数学假设，对物理学家来说，这种自洽仍有待实验论证劳厄不但关注着理论物理学，同时对实验物理也有浓厚的兴趣，特别受到了伦琴在这所大学研究的影响和索末菲对X射线及射线经久不衰的兴趣，使劳厄深知当时在X 射线本质方面的研究现状和面临的困境，他倾向于波动说，知道问题的关键在于实现X射线的干涉或衍射由此可见，X射线学、理论物理学和晶体学在慕尼黑大学的根深蒂固的地位、及其它们的有机结合，已为劳厄产生X射线衍射的构想提供了得天独厚的环境3 巧妙的实验构想 1912年2月的一个晚上，索末菲的博士生厄瓦尔德(PEwald)来到了劳厄的房间，此时他正在索末菲的鼓励下对于长电磁波在空间点阵中的性质进行数学研究，而且发表了一篇有关晶体理论的论文，但他当时遇到了一些困难，希望和劳厄商讨，劳厄在和厄瓦尔德交谈过程中，突然想到比点阵常数短的波的性质问题，他纯属偶然地问道：“振子之间的距离多大?”当得到确切的回答时，劳厄问道：“假如用短得多的波穿越晶体，会怎样呢?”4显然，这时劳厄已完全沉浸在自己的思考之中，劳厄的“光学直觉”使他产生思想上的飞跃，如果原子真的存在，晶体中原子的排列假如是有规则的，其间距如果与入射波的波长处于同数量级，用此短波辐射晶体，它就应该象光栅产生光干涉那样出现干涉现象，那么X射线也许是辐射晶体最合适的短波劳厄把X射线的波动说与晶体空间点阵假设这两件本来毫不相干的事巧妙地联系在一起，提出了X射线干涉与衍射理论十分精彩的设想，当劳厄将他的设想与索末菲和维恩等人进行讨论时，索末菲表示反对，他认为：按照这一思路设想的实验，由于原子的热运动根本不可能出现明显的衍射图像，他一开始不支持这一做法但索末菲的助手弗里德利希却认为：这是一个好的想法，应该试一试，并打算着手用实验来检验这个设想但弗里德利希还承担着其它重要的科研任务，因此他就利用深夜的业余时间悄悄地在伦琴学院进行实验初期实验时，伦琴提供了X射线管，格罗特提供了晶体样品；劳厄作实验理论指导不久，另一位年青的物理学家克尼平在完成博士论文后也参加了这一实验工作其中A是X射线管的对阴极，B1，B2，B3，B4为准直光阑，由铅做成X射线束的直径小于1mm，G为测角器平台，中心位置放一单晶体样品（闪锌矿或岩盐），为了防止外界辐射，整个装置用铅屏S和铅盒K保护P1、P2为处于不同方法和不同距离处的照相底片用来记录X射线采用管子R可避免直线X射线在铅盒后壁引起二次辐射他们开始利用非常简陋的设备作试验，所用的晶体是硫酸铜，且X射线照射方向是随意的，弗里德利希和克尼平在第一轮实验中，由于X射线太弱，曝光时间不足 而屡遭失败，幸亏他们有坚定的信念，又把曝光时间延长到数小时， （图1）最后终于在底片上显示出有规则的斑点，这就是1912年4月得到的第一张劳厄图（图1）2 由于劳厄巧妙的想法被弗里德利希和克尼平付之于实验的成功感染了索末菲， 他一改初衷，立即允许自己的助手利用理论物理所最精良的设备进行广泛的试验，并且提供许多宝贵的建议，他们不再是在任意方向上照射三斜硫酸铜晶体，而是用很细的X射线束射进一个铅盒，调节X射线束，使其沿结晶学指出的晶轴方向照射闪锌矿、岩盐等对称性最佳的立方晶体，感光底片放在晶体后面的两侧（原理图如图2）2 （图3） （原理图如图2） 在预备性的实验中就发现，劳厄所预言的射线强度的极大值清晰地出现在晶体后面的底片上（图3）5用各种晶体拍摄了照片，从极大值的分布与理论的相符情况和成像的清晰度，可以得到结论说，这是一种干涉现象射线的吸收实验表明，产生出干涉点的射线确实是X射线；劳厄由此肯定的推断，在晶体照片上产生极大值的射线具有波动性质1912年5月4日，劳厄、弗里德利希和克尼平在联合给巴伐利亚科学学会的信中，慎重地宣布，他们的实验已取得了成功就这样，被后人称为“劳厄图”的样片很快传遍了世界6 一年以后，劳厄又创立了X射线干涉的几何理论，并把数学理论推广到较复杂的晶体结构中去，这一理论后来经他本人和其他研究人员的不断完善加工，最后演变成动力学理论初期的几何理论仅能处理晶体原子与入射电磁波之间的相互作用，而动力学理论具有更广泛的意义，它把原有的理论扩展到可以阐述原子之间的相互作用问题 晶体被认为是原子按规则排列的空间点阵结构，已有近一个世纪的历史，但它毕竟是一种假说，劳厄用X射线照射晶体的构想得到了一幅幅美丽的图画，这些图画是原子按空间点阵排列的实验证据“劳厄图”使我们不得不承认晶体中的所有原子都位于具有整数坐标的各点上就连一贯视原子说为异端的“唯能论”代表人物奥斯特瓦尔德也不得不承认“原子可以看到了”7 X射线晶体衍射的实验，已成为科学史上一个典型的实验范例，劳厄提供了巧妙的思想构思和理论指导，弗里德利希和克尼平以简洁的实验手段证实了这一构想这一实验确实达到了一箭双雕的目的，它不但证实X射线具有波动性，同时又肯定晶体中原子是按空间点阵排列的，爱因斯坦称这一实验构想是现代物理学中最漂亮的一个 X射线衍射的发现，在20世纪物理学中有极其重要的意义，因为它不仅证明X射线是一种比可见光波长短千倍的电磁波，而且是继佩兰（Perrin）的布朗运动实验之后，又一次向科学界提供证据，证明原子存在的真实性由于X射线衍射现象的发现激励了布拉格（WLBragg and WHBragg）父子，他们在英格兰的利兹，几乎马上就把晶体当作光栅，以建造实际的X射线摄谱仪，把光谱线的研究范围扩大到比可见光波长短一千倍的区域，从而诞生一门新兴的X射线谱学，为探索分子和原子结构开辟了一条广阔的道路，普朗克称赞道：劳厄的发现已“揭开了原子理论的新纪元”10劳厄以这项著名的工作，当之无愧地成为1914年度诺贝尔物理学奖的获得者4 启示41 永远有新的角度劳厄是爱因斯坦的同龄人，他生活在现代物理学崛起的年代，他对新事物有着丰富的想象力和敏锐的判断力，不论看什么问题，都有新的角度和独到的见解，能透过事物的表象，提示问题的本质他是德国首批接受相对论的学者，并用自己的智慧支持和发展相对论，在爱因斯坦创立狭义相对论两年后，他凭着丰富的想象，对相对论进行深化与外延，他从光学的角度为相对论提供理论依据在X射线衍射现象的这一发现中，当厄瓦尔德和他讨论晶体光学问题时，他敏感地抓住了晶格间距的数量级，判定晶体可以作为X射线的天然光栅，并能预见到X射线通过晶体的衍射，最终导致了伟大的发现马克斯玻恩评价道：“劳厄的最大功绩，就在于需要有射线出现在底片之前就已想象到这种射线将产生某种现象的才能”2从中可见，劳厄的每一项成就都与他那非同寻常的想象力和大胆的创新精神分不开的当海森堡、F伦敦（FLondon）与H伦敦（HLondon）进行超导性量子理论的研究时，劳厄与迈特纳（LMeitner）一起立即把纯唯象的麦克斯韦理论应用于超导体，解释了破坏超导性的外磁场极限值为什么与物体的形状有关的问题他从英国获准回国后住在海琴根，开始用现代的最新观点撰写物理学史一书，此书于1947年出版，书中充满着“审视察理的欢乐”9这是作者个性特点的基本表现，爱因斯坦称该书为劳厄献给“自然界最美的礼物”9作者此书在世时已被翻译成7种文字，1978年又有中译本问世42 学术的典范 做人的光辉劳厄是学术建树颇丰的学者，他经历了德意志的崛起，雄心勃勃地征服世界，接着是崩溃和重建德意志的年代，但他始终保持着特有的科学自尊心，他不但选择了科学研究作为其终生的事业，而且投入毕生的精力给这项事业赋予尊严，他对“大自然普遍的原理”的信仰几乎达到了与宗教信仰相类似的程度他钟爱空间点阵数学理论的内部自洽性，从不怀疑原子的真实存在；他偏爱麦克斯韦的电磁场论，因为它有明晰的预见性；他不支持哥本哈根对量子力学的正统诠释，因为他一直反对在物理学研究中所采取的实证论态度，不敢想象物理学失去因果律将会怎样?劳厄在做人方面像他的学术态度一样，处事公正，是非分明当他因X射线衍射实验的发现而获得诺贝尔奖时，他在他的著名的诺贝尔奖演讲中明确承认弗里德利希和克尼平这二位年轻人不可磨灭的贡献，并把奖金的三分之一分给了他们他一生善于提携后起之秀，品格高尚，有强烈的正义感在纳粹横行疯狂迫害犹太科学家时，他义不容辞地帮助迈特纳逃离德国，并明确地站在爱因斯坦这一边当爱因斯坦于1933年被迫流亡美国宣布退出普鲁士科学院时，普鲁士科学院却发表声明说：爱因斯坦的退出不是什么损失劳厄挺身而出，谴责这一声明；20年后他还写道：“这个可耻的声明至今犹然使任何一个德国人因羞愧而脸红”10弗里什尊称他为：“少数的具有威望并敢于对抗纳粹的德国科学家之一”2劳厄生性幽默潇洒，热爱生活，对困境充满乐观，正如迈特纳所说：“他的生活是丰富多彩的，但并非总是轻松的”9他内心细腻，自信自尊，时刻关心别人的处境和尊严，真正展现了一位正直学者的爱心和良知参考文献： 1 Max von LaueMGesammelte vortrage und schrigten,3Auflfrankfurt am Maink,196062932 诺贝尔奖获得者演讲集 物理学（第一卷）宋玉升等译。北京：科学出版社 1985303318Nobel Lecturesphysics , VolI Elservier,1967 3 弗里德利希赫尔内克 著原子时代的先驱者徐新民 贡光禹 郑慕琦 译徐新民 校.北京:科学技术文献出版社1981,202241 Friedrich hernek banbrecher des atomzeitalersGroe Naturforscher von Maxwell bi