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布拉格父子與 X光繞射 │ 科學史上的今天:07/02

科學的進展就如牛頓所說的「站在巨人的肩膀上」,少不了前人的經驗累積。布拉格父子在 X光繞射的發現與應用上扮演的傳承角色就是典型的代表,而且他們人生道路上的許多交會也頗耐人尋味。

起點當然是今天生日的老布拉格(William Henry Bragg, 1862-1942)。他於 1885 年自英國三一學院以優異的成績畢業後即獲聘至澳洲阿德雷得大學(University of Adelaide),講授數學與實驗物理。數學是他的專長,而他雖然上過 J. J. 湯姆森一年的物理課,卻未深入研究,另一方面,學校的實驗器材也不足,在這遠離歐洲的邊陲地帶,他只能硬著頭皮一邊自學物理,一邊到廠商那兒當學做儀器。因此可以想見,當拉塞福於 1895 年從紐西蘭要前往英國跟 J. J. 湯姆森做研究,途經澳洲來拜訪老布拉格後,兩人就此成為世交。

1896 年,5 歲的小布拉格(William Lawrence Bragg, 1890-1971)跌傷骨折,老布拉格想起不久前侖琴發現的 X射線,於是動手打造 X射線管,幫兒子照 X光。這是他們兩人與 X光的初次相遇。後來小布拉格進入阿德雷得大學就讀,自然也成了老爸的學生。他畢業後,老布拉格獲聘至英國里茲大學任教,於是舉家於 1909 年遷回英國,小布拉格進入老爸的母校三一學院,而且指導教授又是 J. J. 湯姆森。

當時仍不清楚 X射線的本質是什麼,直到 1912 年夏天,德國物理學家勞厄(Max von Laue)發現 X光穿過晶體會產生繞射現象(就像水波或光波因干涉作用而產生明暗相間的條紋),才確定 X射線其實就是一種電磁波。原本就一直在研究 X射線的老布拉格得知後,趕忙把兒子找來一起做實驗,小布拉格很快在當年十一月就發表「布拉格定律」,不但給出解釋 X光繞射現象的模型,還可以根據 X射線的波長、角度,推算出晶體的晶格間距,因而得知晶體的結構。老布拉格也沒閒著,他在第二年發明了 X射線光譜儀,提供實際可行的測量工具。

1914 年,勞厄先獲得諾貝爾物理獎,接著第二年,由布拉格父子共同獲頒諾貝爾物理獎,創下史上唯一親子檔一起獲獎的紀錄;而小布拉格年僅 25 歲就獲獎,至今仍是諾貝爾科學獎項中最年輕的紀錄保持人。

拉塞福於 1937 年過世後,小布拉格接替他擔任卡文迪許實驗室主任直到 1953 年。華生與克里克正是在他任內來卡文迪許實驗室進行研究,而於 1953 年解開 DNA 的雙螺旋結構;成為破解關鍵的「51 號相片」也是羅莎琳 · 弗蘭克林(Rosalind Franklin)以 X光繞射原理攝得的。

布拉格父子兩人的一生就像雙螺旋,以當代重要的科學家為鏈結,彼此互繞;也像 DNA般傳遞了 X光繞射的技術,為科學的進展提供了重要的助力。回顧當時科學家們的交會,饒富趣味;喔,後來小布拉格的女兒還與 J. J. 湯姆森的孫子結為連理呢。

 

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。