諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)史演義（十六）

作者：魏德勇

撥開烏云見日出。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)史演義(十六)——巴克拉：發(fā)現(xiàn)譜線獲大獎(jiǎng)（上）

紙上辯論傳佳話

原來，1907年夏，利物浦大學(xué)校方讓巴克拉閱讀一篇《物理學(xué)大事記》雜志上的文章。亨利·布拉格（即老布拉格）在此文里說X射線是粒子，還配有一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。文末提到，弄清X射線屬于粒子還是波是科學(xué)界的大事，可有些大學(xué)不參加討論，可見校方并不是真正重視物理學(xué)。

文中的“有些大學(xué)”，自然包括利物浦大學(xué)。于是，巴克拉按照校方的意思向《物理學(xué)大事記》雜志社投了一篇稿。他在文中寫道，X射線像水波一樣，可以繞過障礙物繼續(xù)傳播。文末還配上之前所做X射線偏振實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

查理?巴克拉的諾貝爾官方照片(來源：物理雙月刊網(wǎng))

老布拉格看到《物理學(xué)大事記》上所發(fā)巴克拉的論文后，便又寫了一篇論文。這次他不提實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而是從理論方面說X射線是粒子。估計(jì)他無法從實(shí)驗(yàn)中得到更精確的數(shù)據(jù)。文章發(fā)出來后，巴克拉也不服輸，便撰文從散射角度、偏振實(shí)驗(yàn)等方面闡述自己的觀點(diǎn)：X射線是波。

兩人你來我往，頻頻發(fā)文，爭(zhēng)得不可開交。雖然爭(zhēng)論沒有結(jié)果，但巴克拉關(guān)于X 射線的偏振實(shí)驗(yàn)及類似水波的觀點(diǎn)為后來勞厄（1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）發(fā)現(xiàn) X 射線的衍射理論提供了鋪墊。這些都是后話。

原子結(jié)構(gòu)解譜線

話說巴克拉與老布拉格的爭(zhēng)論雖然沒有結(jié)果，但他自此開始關(guān)注對(duì)方的研究成果來。從知識(shí)產(chǎn)權(quán)、同行競(jìng)爭(zhēng)等角度出發(fā)，巴克拉不但加快了X射線的研究進(jìn)程，還經(jīng)常通過論文公布研究成果。

驚喜總是與勤奮同行。在長(zhǎng)年累月的實(shí)驗(yàn)中，巴克拉得出一條重要規(guī)律：X射線照射某元素時(shí)，會(huì)發(fā)出一條與之對(duì)應(yīng)的特征譜線。由于這條譜線是該元素的身份之一，所以又稱之標(biāo)識(shí)譜線。

1909年，他與學(xué)生沙德勒通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，標(biāo)識(shí)譜線并不均勻，這是因?yàn)楣庾V的能量不同，有的能量高，有的能量低。為了研究方便，他把能量高的稱為A-series（即A線），能量低的稱為B-series（即B線）。10年后，他把A、B線改為K、L線。據(jù)說，之所以這樣改，是因?yàn)樗拿帧癇arkla”里有K、L兩個(gè)字母。根據(jù)K、L線理論，巴克拉成功分辨出原子量大于27的原子的二級(jí)光譜。

巴克拉獲獎(jiǎng)?wù)撐膱D解A和B線（即K和L線，圖片來源于物理雙月刊網(wǎng)）

撥開烏云見日出。標(biāo)識(shí)光譜及K、L線理論為原子物理研究打開了一扇大門。科學(xué)家們不但弄清了不同元素的化學(xué)性質(zhì)不同的物理原因，還可以通過標(biāo)識(shí)譜線及K、L線來分析元素的原子結(jié)構(gòu)。與之關(guān)聯(lián)的波義耳原子模型理論公布之后，更多物理學(xué)家關(guān)注起標(biāo)識(shí)譜線來。

X射線標(biāo)識(shí)譜線實(shí)質(zhì)是散射技術(shù)的體現(xiàn)，而散射技術(shù)及標(biāo)識(shí)譜線在各領(lǐng)域都有極重要的運(yùn)用。在地質(zhì)勘探過程中，X射線的散射技術(shù)可以對(duì)巖礦進(jìn)行必要的分析和鑒定；在納米材料研制方面，可以研究納米分子的粒度分布；在生物學(xué)上，可以研究物質(zhì)的蛋白形狀和生理環(huán)境……這些，都是醉心研究X射線的巴克拉沒想到的。

后記

科學(xué)家們都知道標(biāo)識(shí)光譜及K、L線理論的重要性，巴克拉自然更是明白。聯(lián)想到老布拉格也正在研究X射線的事實(shí)，他抓緊把研究所得寫成論文，一份給雜志社，一份給皇家科學(xué)院。文中他不但詳細(xì)介紹了X射線的偏振實(shí)驗(yàn)及標(biāo)識(shí)光譜理論，還指出元素的標(biāo)識(shí)光譜與普通光譜不同，沒有周期性。

X射線穿透原子圖（來源：原點(diǎn)網(wǎng)）

這篇石破天驚的論文奠定了他榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的基礎(chǔ)。按諾貝爾獎(jiǎng)基金會(huì)計(jì)劃，布拉格父子的下一屆獲獎(jiǎng)?wù)呒礊榘涂死o奈1916年12月第一次世界大戰(zhàn)進(jìn)行得如火如荼，物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)只好延至1917年。自1901年設(shè)立諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來，每年一度的評(píng)選活動(dòng)首次取消。另外，因?yàn)檠芯縓射線而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，巴克拉是第5人。此后還會(huì)有人因此獲獎(jiǎng)，但要到七八年之后。

話說巴克拉醉心于X射線標(biāo)識(shí)譜線的同時(shí)，一位其貌不揚(yáng)、多才多藝的德國教授，正專注于理論物理的研究，小心翼翼開創(chuàng)了新的物理時(shí)代，他因此獲得1918年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。欲知他的諾貝爾獎(jiǎng)精彩故事，且聽下集分解。