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馬克斯·馮·勞厄

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馬克思·馮·勞厄,德國物理學家,1912年發現了晶體的X射線衍射現象,並因此獲得諾貝爾物理學獎。這是固體物理學中具有里程碑意義的發現,從此,人們可以通過觀察衍射花紋研究晶體的微觀結構,並且對生物學、化學、材料科學的發展都起到了巨大的推動作用。

馬克斯·馮·勞厄馬克斯·馮·勞厄
馬克思·馮·勞厄(Max von Laue,1879年10月9日—1960年4月24日),德國物理學家,1912年發現了晶體的X射線衍射現象,並因此獲得諾貝爾物理學獎。這是固體物理學中具有里程碑意義的發現,從此,人們可以通過觀察衍射花紋研究晶體的微觀結構,並且對生物學、化學、材料科學的發展都起到了巨大的推動作用。例如1953年沃森和克里克就是通過X射線衍射方法得到了DNA分子的雙螺旋結構。


1 馬克斯·馮·勞厄 -個人簡介

馬克斯·馮·勞厄馬克斯·馮·勞厄
馬克斯·馮·勞厄,德國物理學家,X射線晶體分析的先驅。1879年10月5日生於柯布倫茨附近的普法芬多夫,1960年4月23日在柏林逝世。勞厄在青少年時期就顯示出對自然科學的興趣,並得到父母和中學教師的支持。在斯特拉斯堡中學時,一位數學教師把亥姆霍茲的通俗科學講演集介紹給他,使他得知當時科學發展的主要動向。他還和兩位同學一起在一位熱心的教師家裡作過當時剛為W.K.倫琴發現的X射線實驗。中學畢業后,勞厄先後就讀於斯特拉斯堡、格丁根、慕尼黑和柏林幾所大學,聽過D.希耳伯特、M.普朗克等大師的課。1904年他在普朗克指導下以《平行平面板上的干涉現象的理論》為題完成了博士論文,隨後留校做普朗克的助教。1909年勞厄到慕尼黑大學任教。那時A.索末菲的講課和討論班吸引了許多年青的物理學家來到慕尼黑,討論的主題都與當時物理學在理論和實驗方面的新的概念和發現有關。關於X 射線的本性的各種看法也是主題之一。勞厄認為X射線是電磁波,他在同一位博士研究生P.P.厄瓦耳交談時,產生了用X 射線照射晶體用以研究固體結構的想法。他設想X 射線是極短的電磁波,而晶體又是原子(離子)的有規則的三維排列,只要X射線的波長和晶體中原子(離子)的間距具有相同的數量級,那麼當用X 射線照射晶體時就應能觀察到干涉現象。在勞厄的鼓勵下,索末菲的助教W.弗里德里奇和倫琴的博士研究生P.克尼平在 1912年4月開始了這項試驗。他們把一個垂直於晶軸切割的平行晶片放在 X射線源和照相底片之間。果然在照相底片上顯示出有規則的斑點群。勞厄的設想被證實了,一舉解決了X 射線的本性問題,而且初步揭露了晶體的微觀結構(見彩圖W.弗里德里奇和P.克尼平按照 M.von勞厄(1879~1960)的設想研究晶體中X射線衍射所用的儀器)。A.愛因斯坦曾稱此實驗為"物理學最美的實驗"。勞厄隨後從光的三維衍射理論出發,以幾何觀點完成了X射線在晶體中的衍射理論,成功地解釋了實驗結果。由於他忽略了晶體中原子(離子)的熱運動,這個理論還只是近似的。到1931年,勞厄終於完成了X 射線的"動力學理論"。勞厄的這項工作為在實驗上證實電子的波動性奠定了基礎,對此後的物理學發展作出了貢獻。由於發現 X射線在晶體中的衍射現象,勞厄獲得了1914年的諾貝爾物理學獎。1905年,勞厄在普朗克的討論班上得悉愛因斯坦的工作,深為關於空間時間的這個新思想所吸引;1907年他專程去伯爾尼拜訪了愛因斯坦,他們從此成為終生的摯友。1911年,勞厄寫成第一本闡述愛因斯坦理論的專著《相對性原理》,闡明了新的空間時間概念和以接近於光速的速度運動物體的運動,為愛因斯坦的理
馬克斯·馮·勞厄勞厄的試驗原理
論贏得更多的支持。勞厄從1912年起先後在蘇黎世大學和法蘭克福大學任教,1919年回到柏林大學任物理學教授。在柏林期間,勞厄成為德國物理學界的權威之一,曾擔任德國物理學會會長。勞厄為人正直,本無意於政治活動,但當科學研究自由受到威脅時,他總是義正辭嚴地起來捍衛它。早在1920年,當P.勒納等人在柏林召開反愛因斯坦廣義相對論的公開集會第二天,勞厄就和W.能斯脫、H.魯本斯聯名在柏林日報上發表公開信予以反擊。在納粹統治時期,1933年在維爾茨堡舉行的全德物理學家年會上,勞厄以物理學會會長的身份致開幕詞。他在講話的末尾引用伽利略堅持N.哥白尼的日心說而遭到教會迫害這一歷史事件,間接地捍衛了當時正受到主張所謂"德意志物理學"的納粹黨徒攻擊的愛因斯坦和其他猶太科學家;最後的結束語是"然而,在任何壓迫面前,科學的捍衛者都具有完全勝利的信念,這信念就是伽利略的這一句話:'無論如何,它在運動!'"。同年他不顧J.斯塔克的威脅,拒絕參加斯塔克召集的擁護納粹的集會。在第二次世界大戰期間,他從未參與有關軍事的科學活動。1943年終於為納粹當局強令從柏林大學提前退休。1945年德國投降后,勞厄和O.哈恩、W.K.海森伯等人被美國軍方送往英國。1946年1月勞厄返回德國后,定居于格丁根。他為重建德國物理學會和將威廉皇帝協會改建為馬克斯·普朗克協會作出了重大努力。當1946年英國皇家學會主持召開國際結晶學會議時,他是應邀參加會議的唯一一位德國學者。他還和普朗克一起參加了英國舉行的牛頓紀念大會。在這兩個會議上,勞厄和普朗克在納粹統治時期為維護學術尊嚴和科學自由的行為備受讚揚,與會者稱他們是真正的人和真正的科學家。1957年法國授予勞厄榮譽軍團勳章以表彰他捍衛人的尊嚴和自由的功績。勞厄在1943年寫成的一部具有特色的《物理學史》,於1947年出版(中譯本,1978)。1951年勞厄被選為馬克斯·普朗克協會的哈伯研究所所長,以72歲的高齡重返他曾居住多年的柏林。此後,他致力於相對論電動力學、超導理論等方面的工作,並重行修訂了《相對性原理》一書。勞厄逝世后,1961年出版了他的《著作和報告全集》,計3卷。

2 馬克斯·馮·勞厄 -輝煌人生

馬克斯·馮·勞厄勞厄法
自從1895年倫琴發現X射線以來,關於X射線的本質,科學家們提出了各自的看法。倫琴發現了X射線之後,物理學家和醫學界人士趕緊研究這種新的射線。在1896氣已有1000篇以上關於這個課題的論文。在1896至1897年間,倫琴自己只寫了兩篇關於X射線的文章。然後,他回到原先研究的課題上去,在以後的二十四年裡寫過七篇只引起短暫興趣的文章,而把對X射線的研究讓給了其他的年輕的新生力量。對他這樣的做法的理由,人們只能推測而已。倫琴一生在物理學許多領域中進行過實驗研究工作,如對電介質在充電的電容器中運動時的磁效應、氣體的比熱容、晶體的導熱性、熱釋電和壓電現象、光的偏振面在氣體中的旋轉、光與電的關係、物質的彈性、毛細現象等方面的研究都作出了一定的貢獻,由於他發現X射線而贏得了巨大的榮譽,以致這些貢獻大多不為人所注意。勞厄認為,X射線是電磁波。他在與博士研究生厄瓦耳交談時,產生了用X射線照射晶體以研究固體結構的想法。他設想,X射線是極短的電磁波,而晶體是原子(離子)的有規則的三維排列。只要X射線的波長和晶體中原子(離子)的間距具有相同的數量級,那麼當用X射線照射晶體時就應能觀察到干涉現象。在勞厄的鼓勵下,索末菲的助教弗里德里奇和倫琴的博士研究生克尼平在1912年開始了這項實驗。他們把一個垂直於晶軸切割的平行晶片放在X射線源和照相底片之間,結果在照相底片上顯示出了有規則的斑點群。後來,科學界稱其為「勞厄圖樣」。勞厄設想的證實一舉解決了X射線的本性問題,並初步揭示了晶體的微觀結構。愛因斯坦曾稱此實驗為「物理學最美的實驗」。 隨後, 勞厄從光的三維衍射理論出發,以幾何觀點完成了X射線在晶體中的衍射理論,成功地解釋了有關的實驗結果。但由於他忽略了晶體中原子(離子)的熱運動,這個理論還只是近似的。到1931年,勞厄終於完成了X射線的「動力學理論」。 勞厄的這項工作為在實驗上證實電子的波動性奠定了基礎,對此後的物理學發展作出了重要貢獻。

3 馬克斯·馮·勞厄 -晶體X射線衍射

馬克斯·馮·勞厄馬克斯·馮·勞厄
晶體X射線衍射即X射線在晶體中發生的衍射現象。晶體具有點陣結構,點陣結構的周期(即晶胞邊長,b,c)與X射線的波長屬於同一數量級,X射線衍射現象是一種基於波疊加原理的干涉現象,干涉的結果隨不同而有所不同(Δ為波程差;λ為波長)。為整數的方向,波的振幅得到最大程度的加強,稱為衍射,對應的方 向為衍射方向  ,而為半整數的方向,波的振幅得到最大程度的抵消。因此,X射線通過晶體之後,在某些方向(衍射方向)X射線的強度增強,而另一些方向X射線強度卻減弱甚至消失,如果在晶體的背後放置一張感光底片,將會得到X射線的衍射圖形。利用X射線衍射原理製造的X射線衍射儀,是測定晶體結構的最主要儀器。根據衍射的方向可以測定晶格參數或晶胞的大小和形狀。根據衍射線強度分佈能夠測定原子在晶胞中的坐標,因此X射線衍射法也是測定分子空間構型的主要方法。產生晶體X射線衍射的條件可用勞厄方程來描述,勞厄方程的標量表達式如下:(cos-cos0)=hλ;b(cosβ-cosβ0)=kλ;c(cosγ-cosγ0)=lλ式中、b、c為晶胞邊長;0、β0、γ0是入射線與晶胞基向量的夾角;、β、γ是衍射線與晶胞基向量的夾角;h、k、l是三個正整數,稱為衍射指數;λ是X射線的波長。描述X射線衍射條件,還可以用布拉格方程:2dsinθ=nλ式中d為相鄰兩個晶面之間的距離;θ為入射線或反射線與晶面的交角;λ為X射線波長;n為正整數。布拉格方程與勞厄方程雖然表達方式不同,但其實質是相同的。當  X射線的波長與入射線方向以及晶體方位確定以後,勞厄方程中的λ、、b、c、0、β0、γ0 都已確定,只有、β、γ是變數,它們必須滿足勞厄方程,但是,、β、γ3個變數不是獨立的,例如在直角坐標中應滿足:cos2+cos2β+cos2γ=1這就是說,3個變數、β、γ應同時滿足4個方程,這在一般條件下是不可能的,因而得不到衍射圖。為了解決這個問題,必須再增加一個變數,有兩種辦法可供選擇:①晶體不動(0、β0、γ0固定),改變波長λ,即採用白色X射線;②波長不變,即用單色X射線 ,讓晶體繞某晶軸轉動,即改變0、β0、γ0  。這樣可在某些特定的晶體方位得到衍射圖,這種方法叫做轉動晶體法。以上兩種方法都是對單晶體而言的。如果晶體是多晶,每個小單晶體在空間的取向是隨機的,勞厄方程總可以得到滿足,這就是粉末法的基礎。

4 馬克斯·馮·勞厄 -勞厄法

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將具連續波長分佈的「白色」X射線作用於靜止安置的單晶以獲取衍射信息的方法。早期的勞厄法以平板的感光膠片置於按一定軸向或晶棱取向安置的單晶樣之後,根據所得勞厄衍射圖的花樣判斷該晶軸或晶棱方向的對稱性,以助於對晶體勞厄點群的研究。由於X射線源、晶體與底片的相互位置不同,而又分為透射勞厄法和背射勞厄法。透射法所出現的衍射點分別在不同的橢圓上,背射法衍射點分別分佈在不同的雙曲線上。通過對這些點的分析,可測定晶體取向。20世紀80~90年代間,利用同步輻射強白色X射線源,結合高能儲存環等新技術以勞厄法已做到只需毫秒級時間即可完成收集一套蛋白或病毒晶體的衍射數據。這意味著時間分辨大分子晶體學業已誕生,用勞厄法衍射數據已獲解析出鵝蛋白、溶菌酶大分子結構等先進成果。

5 馬克斯·馮·勞厄 -相關鏈接

http://www.china001.com/show_hdr.php?xname=PPDDMV0&dname=8H9CO31&xpos=7
http://www.chemyq.com/xz/xz3/20837aigim.htm
http://www.chinabaike.com/article/baike/wli/2008/200801101128434.html
http://www.chemyq.com/xz/xz3/20836rhsud.htm

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