布拉格父子與 X光繞射 │ 科學史上的今天：07/02

2015/07/02 |

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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。