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诺贝尔物理学奖史演义(十六)——巴克拉:发现谱线获大奖(下)

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  作者:魏德勇

  拨开乌云见日出。

  诺贝尔物理学奖史演义(十六)——巴克拉:发现谱线获大奖(上)

  纸上辩论传佳话

  原来,1907年夏,利物浦大学校方让巴克拉阅读一篇《物理学大事记》杂志上的文章。亨利布拉格(即老布拉格)在此文里说X射线是粒子,还配有一些实验数据。文末提到,弄清X射线属于粒子还是波是科学界的大事,可有些大学不参加讨论,可见校方并不是真正重视物理学。

  文中的“有些大学”,自然包括利物浦大学。于是,巴克拉按照校方的意思向《物理学大事记》杂志社投了一篇稿。他在文中写道,X射线像水波一样,可以绕过障碍物继续传播。文末还配上之前所做X射线偏振实验的相关数据。

  

  查理巴克拉的诺贝尔官方照片(来源:物理双月刊网)

  老布拉格看到《物理学大事记》上所发巴克拉的论文后,便又写了一篇论文。这次他不提实验数据,而是从理论方面说X射线是粒子。估计他无法从实验中得到更精确的数据。文章发出来后,巴克拉也不服输,便撰文从散射角度、偏振实验等方面阐述自己的观点:X射线是波。

  两人你来我往,频频发文,争得不可开交。虽然争论没有结果,但巴克拉关于X 射线的偏振实验及类似水波的观点为后来劳厄(1914年诺贝尔物理学奖获得者)发现 X 射线的衍射理论提供了铺垫。这些都是后话。

  原子结构解谱线

  话说巴克拉与老布拉格的争论虽然没有结果,但他自此开始关注对方的研究成果来。从知识产权、同行竞争等角度出发,巴克拉不但加快了X射线的研究进程,还经常通过论文公布研究成果。

  惊喜总是与勤奋同行。在长年累月的实验中,巴克拉得出一条重要规律:X射线照射某元素时,会发出一条与之对应的特征谱线。由于这条谱线是该元素的身份之一,所以又称之标识谱线。

  1909年,他与学生沙德勒通过实验进一步证明,标识谱线并不均匀,这是因为光谱的能量不同,有的能量高,有的能量低。为了研究方便,他把能量高的称为A-series(即A线),能量低的称为B-series(即B线)。10年后,他把A、B线改为K、L线。据说,之所以这样改,是因为他的名字“Barkla”里有K、L两个字母。根据K、L线理论,巴克拉成功分辨出原子量大于27的原子的二级光谱。

  

  巴克拉获奖论文图解A和B线(即K和L线,图片来源于物理双月刊网)

  拨开乌云见日出。标识光谱及K、L线理论为原子物理研究打开了一扇大门。科学家们不但弄清了不同元素的化学性质不同的物理原因,还可以通过标识谱线及K、L线来分析元素的原子结构。与之关联的波义耳原子模型理论公布之后,更多物理学家关注起标识谱线来。

  X射线标识谱线实质是散射技术的体现,而散射技术及标识谱线在各领域都有极重要的运用。在地质勘探过程中,X射线的散射技术可以对岩矿进行必要的分析和鉴定;在纳米材料研制方面,可以研究纳米分子的粒度分布;在生物学上,可以研究物质的蛋白形状和生理环境……这些,都是醉心研究X射线的巴克拉没想到的。

  后记

  科学家们都知道标识光谱及K、L线理论的重要性,巴克拉自然更是明白。联想到老布拉格也正在研究X射线的事实,他抓紧把研究所得写成论文,一份给杂志社,一份给皇家科学院。文中他不但详细介绍了X射线的偏振实验及标识光谱理论,还指出元素的标识光谱与普通光谱不同,没有周期性。

  

  X射线穿透原子图(来源:原点网)

  这篇石破天惊的论文奠定了他荣获诺贝尔奖的基础。按诺贝尔奖基金会计划,布拉格父子的下一届获奖者即为巴克拉。无奈1916年12月第一次世界大战进行得如火如荼,物理学奖颁奖只好延至1917年。自1901年设立诺贝尔物理学奖以来,每年一度的评选活动首次取消。另外,因为研究X射线而获诺贝尔物理学奖,巴克拉是第5人。此后还会有人因此获奖,但要到七八年之后。

  话说巴克拉醉心于X射线标识谱线的同时,一位其貌不扬、多才多艺的德国教授,正专注于理论物理的研究,小心翼翼开创了新的物理时代,他因此获得1918年度诺贝尔物理学奖。欲知他的诺贝尔奖精彩故事,且听下集分解。

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