从劳厄发现晶体X射线衍射谈起

文章从劳厄发现晶体X射线衍射的前因后果谈起．劳厄的这个发现产生了两个新学科，即X射线谱学和X射线晶体学．文中还回顾了布拉格父子对这两个新学科所作的重大贡献，并阐述了X射线晶体学的深远影响．     

晶体X射线衍射的发现及其深远影响

1912年4月,弗里德里希、克里平和劳厄成功地观察到X射线透过硫酸铜晶体后的衍射斑点!随后劳厄推导出描述晶体衍射的著名劳厄方程.由于晶体X射线衍射的发现,劳厄于1914年荣获诺贝尔物理学奖.1912年10月,W.L.布拉格通过X射线透射ZnS晶体实验,推导出了著名的布拉格方程.1915年布拉格父子荣获诺贝尔物理学奖.晶体X射线衍射的发现对自然科学的影响是深远的.2012年是劳厄发现晶体X射线衍射100年,文章回忆了这段光辉的历史及其对科学技术所产生的深远影响,以怀念科学先驱们对科学技术的贡献,弘扬他们对科学研究的认真严谨的科学态度、勇于创新的科学精神和谦逊无私的品德.     

X 射线晶体学的百年辉煌

自1912 年劳厄发现X 射线晶体衍射现象,小布拉格开创X 射线晶体学以来,已经过去 了100 年。这一发现,对人类科学的发展,特别是微观科学的影响至为巨大,具有里程碑的意义。 在这100 年中,X 射线晶体学发展迅速,成果累累。本文按主要实验技术的发展将100 年大致分 为四个阶段,从单晶体衍射、多晶体衍射和X 射线光谱三个方面简述其主要进展和影响。并简单 概括了她对物理学、晶体学、化学和生物学等基础学科和材料、医药、环境等多个应用学科的重大 影响。最后,还预期了晶体学领域的一些可能发展,包括无比强大的光源–硬X射线自由电子激光、 多维晶体学、电子晶体学、数学晶体学、三维X 射线衍射显微学等领域。     

X射线衍射进展简介

100年前,劳厄等证明X射线对硫酸铜晶体具有衍射能力,揭开了X射线衍射分析晶体结构的序幕.100年的发展,X射线衍射已经成为自然科学乃至医学、考古、历史学等众多学科发展的必备技术.文章介绍了X射线衍射现象的发现历史,X射线运动学和动力学理论的发展概况,并举例说明了X射线衍射在粉末多晶体、单晶体和人工功能晶体以及人工薄膜材料中的具体应用情况,最后简要展望了X射线衍射技术的发展前景.     

X射线衍射的发现

简单介绍了埃瓦尔德(Ewald P P)、劳厄(von Laue M)和布拉格父子(Bragg W H及Bragg W L)在1912年发现X射线衍射方面的贡献．1911年埃瓦尔德在索末菲的指导下在慕尼黑大学从事博士论文研究，劳厄在与他的讨论中了解到晶格的平移周期与X射线的波长属于同一量级，因此想到在二维光栅的两个衍射方程组中再加一个类似的方程，就可以描述X射线在三维晶体中的衍射．在此假设的指导下，Friedrieh W和Knipping P在1912年4月开始用CuSO4后来用闪锌矿(立方ZnS)进行实验，很快就得到X射线衍射的证据．这不但证明了X射线的波动性，还确定了晶体的三维周期性．老布拉格在1912年夏得知这个消息，与他儿子小布拉格一道尝试用X射线的粒子性解释它，并由小布拉格在剑桥大学重复这个实验．根据衍射斑点的椭圆形状和从Pope与Below那里学到的晶格理论(由此得知ZnS具有面心立方晶格)，小布拉格将X射线在晶体中的衍射看作是X射线从一些晶格平面的反射，从而推导出著名的布拉格方程．布拉格父子开拓了X射线晶体结构分析这门新兴学科，从简单的无机化合物和矿物，逐渐发展到有机化合物和生物大分子．劳厄和布拉格父子分别强调慕尼黑和剑桥的优良科学环境对发现X射线衍射的重要性．鉴于埃瓦尔德在发现X射线衍射的作用及他后来在倒易格子及动力学衍射理论方面的贡献，不少晶体学家认为他也应获得诺贝尔物理奖．     

蛋白质晶体的魅力——国际晶体学年漫谈结构(晶体)生物学

以应用物理学及数学对称性原理为基础,晶体学是一门典型的多学科综合交叉学科。2014年是德国物理学家劳厄(von Laue)因为首次进行X射线穿过矿物晶体得到衍射现象的实验从而荣获1914年诺贝尔物理学奖一百周年纪念,也是联合国教科文组织将2014年确定为"国际晶体学年"的一年。文章简要地回顾了X射线晶体学发展壮大的百年历史,重点展望了结构生物学中最为重要的分支——蛋白质晶体学的发展及前景。特别介绍了中国近年来蛋白质晶体学的快速发展及其在世界上的崛起。最后,以作者所在实验室的一个结构生物学研究课题——Caspase-6的结构与功能研究为例,较为详细地介绍和阐明了蛋白质晶体学在结构生物学研究中的一些实验细节、可能遇到的困难及研究思路,指出了物理学原理及原子水平的动力学性质在进一步阐明蛋白质结构与功能研究中的重要性。     

纪念劳厄发现射线衍射周年

100年前,德国人劳厄发现X射线通过晶体时可以发生衍射效应.随后,英国的布拉格父子等人发展出一系列实验和分析方法,利用X射线晶体衍射解析出具有原子分辨率的分子结构.在过去的100年中,X射线衍射分析对世界的科学发展乃至人们的生活都产生了至关重要的影响,并且在这100年间,X射线衍射实验方法和分析方法也有了长足进步.硬X射线自由电子激光的出现为X射线衍射分析进一步发展提供了更广阔的空间,可以预期,基于自由电子激光的X射线衍射分析会进一步在物理、化学、生物等学科中发挥更为重要的影响.     

X射线晶体学的创立与发展

2014年,正值X射线晶体学诞生100周年,100年来,晶体对社会发展及人类生活起着重要的作用,它塑造了当今的世界,支撑着今天的科学。鉴于此,2012年7月举行的第66届联合国大会宣布,将2014年作为国际晶体学年(IYCr2014)。晶体X射线衍射的发现对自然科学的影响是深远的,它给人们提供了原子、分子在晶体中的微观排列图像;而X射线光谱学的发展,使人们认识原子结构的规律性,为原子结构理论提供了直接的实验佐证,也使辨别物质的元素成为可能,从而创立了X射线晶体学。X射线的应用,促进了X射线晶体学的发展,使物理学的研究从宏观进入微观,从经典过渡到现代,从而开拓了现代化学、现代生物学和医学的先河,使科学技术产生划时代的进展。文章回顾了X射线晶体学的创立与发展的历程,纵览了X射线晶体学重要的实验元素:光源、探测器、分析软件与晶体学数据库以及实验技术的发展,以怀念科学先驱们对科学技术的贡献。     

晶体学与“四个现代化”

晶体学是一门边缘科学,它牵涉到物理学、化学、冶金学、矿物学、土壤学以至于近代的分子生物学.我们可以说,晶体学是研究晶体的结构和缺陷与物理性质之间的关系的一门科学,晶体学是研究晶体在成分、温度、压力或其它物理条件的变更下结构变化的一门科学,晶体学又是研究晶体的发生和发展的一门科学.在X射线衍射现象发现以前的晶体学叫做经典晶体学,而用X射线分析晶体的微观结构和织构的叫做X射线晶体学. 自从劳厄(von　Laue)发现X射线的衍射现象而布喇格(Bragg)父子奠定了这一学科的基础之后,到现在已有六十六年的历史了.这六十多年,在历…     

劳厄对晶体衍射的发现

介绍了劳厄提出晶体衍射思想的科学背景及当时的实验过程,并探讨在劳厄发现晶体衍射的过程中其科学思想的形成及X射线晶体衍射的发现带给我们的启示及影响．     

X光分幅相机-平面镜配接方法研究

利用X光谱仪用平面镜备件以及实验室常用五维调节架,设计了X光平面镜与X光分幅相机配接的探索方案,并对系统调节中各元件调节误差带来的影响进行了一定的分析,详细描述了系统的瞄准调节方法和过程.利用激光打靶实验,对X光平面镜与X光分幅相机的配接方法进行了检验.实验过程和结果表明,该方法系统结构和实施都较为简单,可以比较容易地在分幅相机微带上获得经平面镜反射的靶目标针孔像,实现～50 ps的时间分辨、10～20 μm的空间分辨及几十倍的能量分辨.     

一种高温等离子体X射线参数诊断方法

 介绍了高温等离子体中用滤波荧光法测量X射线能谱、用散射法测量X射线总剂量的原理,建立了X射线能谱、总剂量的数据处理方法,成功获得了实验结果,测点处总的辐照剂量不确定度为± 23％。     

X射线粉晶衍射仪的今天和明天

超能探测器(X’Celerator)的研制成功给X射线衍射仪的制造技术带来了革命性发展，录谱速度提高了100倍．而预校准光路模块化技术，使得各种测试功能可以在数分钟内准确地更换，无须重新调整光路，从而使长期以来一机多功能的期望得以实现．各种新型光学模块使得X射线衍射仪的利用率成倍提高，可以在短时间内获得高质量的衍射数据．新软件的推出，可以快速、准确、全面地给出相关衍射数据．     

X光透镜及其应用

着重介绍了Ｘ光透镜的原理，制作方法，及其在Ｘ光产业中的应用和发展前景。     

5—25keV刻度用X射线发生器

利用轫致辐射激发原子产生X射线荧光,经吸收边过滤,研制成单色低中能X射线发生器。实验给出5—25keV能区的4个单能点的强度、纯度以及相应的剂量率,可供刻度使用。     

W.H.布拉格的科学生涯与科学贡献

W．H．布拉格是20世纪伟大的英国科学家,但长期以来物理学界对他的了解不够全面．本文回顾了W．H．布拉格的人生轨迹,较系统地介绍了他的科学贡献,揭示了一些令人深思的问题,对他在科学界的深远影响也作了充分肯定     

一种点光源的自适应束斑X射线衍射仪的研制

为同时实现微米量级待测区域和毫米量级待测区域的物相分析,以及对表面不平整样品准确的物相分析,本实验室结合X射线衍射技术、CCD相机成像技术和毛细管微会聚X光调控技术,研制了一款能根据待测区域大小自适应调节照射X射线束斑直径的点光源X射线衍射仪Hawk-Ⅱ,其主要组成包括X射线源系统、六维联动运动系统、CCD相机、X射线探测系统和基于LabVIEW的软件控制系统.为验证设备的可行性,对表面不平整的人民币五角硬币进行分析,发现Hawk-Ⅱ测得的衍射图与标准PDF卡基本一致,而帕纳科X-Pert Pro MPD测得的衍射图最大偏移角度高达0.52°.对清代红绿彩瓷白釉和表面镀Cu,Fe的纳米材料采用不同直径的X射线束进行分析,发现白釉的晶体分布较为均匀,而纳米材料的表面镀膜不均匀.应用Hawk-Ⅱ分析一片西汉青铜,根据其锈蚀点的大小自适应调节照射X射线束斑直径,从而实现了物相的精确分析.由分析结果可知,Hawk-Ⅱ不仅拥有准确分析不规则样品的能力,而且拥有从微米级到毫米级待测区域的物相分析能力,并兼具能量色散X射线荧光分析功能,在诸多领域具有广泛的应用前景.     

超短超强激光与金属靶作用产生硬X射线照相

 超短超强激光与物质相互作用产生硬X射线的应用之一是X射线照相。利用等离子体国家重点实验室的SILEX-Ⅰ激光器进行了超短超强激光与高Z平面金属厚靶相互作用产生硬X射线作为照相光源的照相实验研究。采用闪烁体+胶片和闪烁体+CCD相机的方式分别接收X射线图像,在靶的侧向和后向得到清晰X射线图像。由于采用的闪烁体厚度和照相几何不同,图像质量和空间分辨率存在明显差别。这种照相技术不仅可以作为激光与固体靶相互作用产生光源研究的基础手段,而且可以作为激光与固体靶相互作用致硬X射线的探测方式。     

“阳”加速器钛丝X箍缩光源辐射特性实验研究

为了利用X箍缩产生的点光源作为背光光源对丝阵Z箍缩内爆早期的负 载内部结构进行背光照相, 在"阳"加速器(电流峰值为500-800 kA, 上升时间约80 ns)上开展了钛丝(丝交叉角度为60°) X箍缩光源辐射特性的初步实验研究. 通过X射线二极管探测器、透射光栅谱仪、晶体谱仪和狭缝相机等诊断设备获取了箍缩点光源的辐射功率达到1.5 GW左右, 辐射能量约为1 J, 光子能量为keV量级的辐射能谱范围主要集中在1-4 keV能段, 点光源尺寸小于15 μm, 其时间尺度(辐射脉冲半高宽)达到了200 ps. 对光源特征信息进行了初步分析, 同时掌握了有效获取钛丝X箍缩单脉冲点光源的方法.