是誰打開了晶體的原子尺度的大門
卡文迪什實驗室的創建及其對化學的重要貢獻
袁振東邵會聰
（河南師範大學化學化工學院 河南新鄉 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，物理學等學科的發展能為化學的發展開創新領域或為化學問題的解決提供新方法，如電子、質子和中子的發現使化學認識從宏觀到微觀，X射線晶體學為晶體結構研究提供了新手段。化學的發展不是獨立的，而是根植於整個自然科學發展的土壤中。
關鍵詞
卡文迪什實驗室；化學貢獻；諾貝爾獎
卡文迪什實驗室（Cavendish Laboratory）是英國劍橋大學的物理實驗室,在近現代物理學史上的地位是舉世公認的。迄今為止，關於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]、卡文迪什實驗室幾代主任的貢獻[2]、卡文迪什實驗室是諾貝爾獎的搖籃[3]及實驗室創建的啟示[4-6]等。事實上，卡文迪什實驗室對化學發展的影響也是巨大的。那麼，卡文迪什實驗室創建背景和實驗室宗旨是什麼呢？卡文迪什實驗室對近代化學的貢獻有哪些？本文擬從卡文迪什實驗室創建百年獲得的諾貝爾獎進行分析，從中梳理和研究其對20世紀化學的影響。
3
卡文迪什實驗室對化學發展的間接貢獻
3.1
布拉格父子——用X射線對晶體結構的研究
20世紀初，在碳原子的四面體結構、原子核和核外電子殼構成原子學說的基礎上，化學家們普遍認識到共價鍵是原子結合成分子的原因。在測定一批簡單化合物如NaCl、KCl、 KBr、KI和閃鋅礦等的晶體結構時，發現分離不出獨立的分子。是否存在沒有分子的物質，這個疑問一直困擾著化學家們。
1912年德國科學家勞厄(Max von Laue, 1879—1960)發現X射線晶體衍射現象，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，開創了X射線衍射物理學的研究。勞厄的發現引起了布拉格父子——英國物理學家亨利·布拉格(William Henry Bragg, 1862—1942）和物理學家勞倫斯·布拉格(William Lawrence Bragg, 1890—1971)的關注。當時亨利·布拉格擔任利茲大學的物理學教授，勞倫斯·布拉格畢業於劍橋大學並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覆研究，最終得出這是一種波的衍射效應，並且對閃鋅礦(ZnS)的勞厄衍射圖進行了標定，得出閃鋅礦ZnS的晶體結構。勞倫斯·布拉格還用勞厄衍射圖解出了鹼金屬鹵化物的晶體結構，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構。1913年，亨利·布拉格設計製成X射線分光計，測定了金剛石的結構。此後，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構。1914年，2人聯合寫作《X射線與晶體結構》（X-rays and Crystal Structure）一書，在這本書中總結了他們在X射線晶體結構分析所做的工作[22]。
亨利·布拉格側重於研究X射線的光譜，發現X射線光譜中含有連續譜段和特徵譜線。晶體結構的測定主要依靠特徵射線。同時，英國物理學家莫塞萊（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887—1915）利用這項技術去確定和比較各種元素的標識X射線輻射的波長，並證明元素是按照他們的核電荷數決定的，還確定了尚未被發現元素的空位。勞倫斯·布拉格側重於研究X射線晶體結構的分析，以定量觀測原子在晶體中的位置，在勞厄發現的基礎上開創了X射線晶體學，打開了探索原子分子尺度的微觀世界的大門，使化學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射線譜的發現
1895年，德國物理學家倫琴（Wilhelm Rntgen，1845—1923）發現X射線，但X射線的概念並未建立。1902年，由於J. J. 湯姆遜的原子模型理論需要從散射現象中獲得，英國物理學家巴克拉（Charles Glover Barkla，1877—1944）開始X射線散射的研究。儘管該研究主要在利物浦完成，但是J. J. 湯姆遜在其中發揮了重要的的指導和鼓舞作用。巴克拉第一個發現X射線的二次輻射具有2種成分，一種是X射線散射未經改變的部分，另一種是因物質而異的熒光輻射。熒光輻射與被散射物質的組成有確定的關係，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射元素的原子量呈近似的線性關係，因此X射線標識譜線是揭示原子結構的重要途徑，對原子結構理論的建立起到極其重要的作用[15]82-83。
3.3
G. P. 湯姆遜——發現晶體對電子衍射的現象
1924年，法國理論物理學家德布羅意（Louis Victor de Broglie，1892—1987）在《哲學雜誌》發表了第一篇關於物質波的論文。1926年，英國科學促進會（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家G. P. 湯姆遜(George Paget Thomson,1892—1975)極大的興趣。G. P. 湯姆遜採用電子束通過高壓加速，穿透固體薄箔，衍射物質為多晶體，可直接產生衍射環。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——物質的波粒二象性，因而對物理化學的發展有著重大意義。電子衍射實驗，不僅驗證了德布羅意物質波理論，還為很多實驗領域特別是在物理和化學領域提供了新的方法和手段[23]。
3.4
M. F. 佩魯茲、J. C. 肯德魯——對血紅蛋白分子結構的測定
蛋白質結構的測定曾困擾科學家們將近半個世紀。由於蛋白質分子量大、原子之間的結合方式和空間分布排列情況極其複雜，一般的化學分析方法和常規的儀器不能解決。1936年，奧地利裔英國生物化學家M. F. 佩魯茲（Max Ferdinand Perutz，1914—2002)來到卡文迪什實驗室，跟隨英國科學家貝爾納(J. D. Bernal,1901—1971)從事X射線研究蛋白質結構。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家J. C. 肯德魯（J. C. kendrew,1917—1997）合作，建立了醫學研究所分子生物學研究所[24]。他們採用「重原子技術」，用某些重金屬的單原子加進蛋白質分子中可使X射線衍射圖發生明顯清晰的改變。1960年，先後獲得肌紅蛋白和血清蛋白的X射線衍射圖，並通過電子計算機運算確定出每個原子在空間的位置和結合方式，最後得到了球蛋白分子的精確的三維空間的結構圖像(包括構型和構像)[25]。這個研究成果，對生物化學和現代分子生物學的興起和發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建及其對化學的重要貢獻[J]. 化學教育（中英文）, 2017, 38(14): 76-81
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