題圖來自:《X 戰警》
2023 年的諾貝爾物理學獎授予了 " 一種極短的光 ",這種極短的光是不是電磁波呢?我想答案應該是屬于。因爲在麥克斯韋推導出麥克斯韋方程組的時候,就證明了光也是一種電磁波。
但是如果問:哪一種電磁波最特别?
我想答案一定是:X- Ray(X 射線)。
這種神奇的電磁波,波長非常接近原子大小,僅 0.01nm —— 10nm,頻率在 30PHz~300EHz。X- Ray 的能量極大,在能量爲 100eV〜10MeV 之間,不僅能夠穿透人體組織,進行醫學檢查;也能夠穿透金屬等固體,進行工業探傷,具有非常重要的應用價值。
我們知道,第一屆的諾貝爾獎就授予了這種神奇的電磁波的發現人——倫琴,以表彰倫琴在發現 X-Ray 所做的重大貢獻。
在電磁領域,如果說誰最應該得到諾貝爾獎的話,我想第一個應該是法拉第。這位修鞋匠的兒子,靠着個人孜孜不倦地學習和百折不撓的實驗精神,驗證了電和磁的統一,并提出了電磁場的概念。除此之外,法拉第在實驗中還在稀薄的氣體中放電時産生一種色彩絢麗的光,這種光後來被科學家稱爲 " 陰極射線 ",在倫琴等人的進一步的研究中,這種神奇的電磁波終于浮出水面—— X Ray 誕生了。
誰也不會想到,僅僅對這一種電磁波的研究,就可以産生十幾個諾貝爾獎,涵蓋諾貝爾物理學獎,諾貝爾化學獎和諾貝爾生理學和醫學獎。
我們一起來盤點一下。
1. 1901 年,首屆諾貝爾物理學獎授予了威廉 · 康拉德 · 倫琴,以表彰他發現了這個偉大而神奇的射線—— X 射線,也叫做倫琴射線。
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2. 1914 年,諾貝爾物理學獎授予德國科學家馬克斯 · 馮 · 勞厄,以表彰他發現了晶體對 X-Ray 的衍射。
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當波穿過屏幕中間隔緊密的小開口時,就會發生一種稱爲衍射圖案的現象。1912 年,馬克斯 · 馮 · 勞厄(Max von Laue)提出了一個想法,即穿過晶體的 X 射線可能會産生類似的模式。也就是說,晶體的結構将與屏幕中的開口相對應。實驗證實了馮 · 勞埃的想法。這表明 X 射線可以被描述爲波。該方法還可以使用衍射圖來确定晶體的結構。
3. 1915 年,諾貝爾物理學獎授予了布拉格父子:威廉 · 亨利 · 布拉格和威廉 · 勞倫斯 · 布拉格,以表彰他們用 X 射線對晶體的研究。威廉 · 勞倫斯 · 布拉格也是迄今爲止最年輕的諾貝爾物理學獎的獲得者。
馬克斯 · 馮 · 勞埃(Max von Laue)發現 X 射線穿過晶體時會發生衍射圖案,這激發了威廉和勞倫斯 · 布拉格(William 和 Lawrence Bragg)在該地區進行自己的研究。他們的貢獻包括建立 X 射線波長,入射角和晶體内部原子層之間的距離之間的關系。這爲研究晶體結構提供了強大的工具。使用衍射圖案方法,現在也可以計算晶體結構中原子的位置。
4. 1917 年,諾貝爾獎授予了英國物理學家查爾斯 · 格洛弗 · 巴克拉,以表彰他發現了元素的特征 X-Ray 輻射。
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巴克拉在發現 X 射線之後,很快就确定輻照化合物會發射二次 X 射線。在二次光譜中,出現了對應于不同波長的線。1906 年左右,查爾斯 · 巴克拉(Charles Barkla)表明,無論溫度、結構和化學成分如何,每種元素的二次光譜都是獨一無二的。因此,它的光譜是原子的特征性質,因此成爲原子研究的重要工具。
5. 1924 年,諾貝爾物理學獎授予瑞典物理學家曼内 · 西格巴恩,以表彰他在 X 射線光譜學領域的發現和研究。
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發現 X 射線幾年後,查爾斯 · 巴克拉(Charles Barkla)表明,暴露于 X 射線的化合物會發射具有不同元素特征波長的二次 X 射線。在研究了許多元素之後,亨利 · 莫斯利能夠添加和修改元素周期表。Manne Siegbahn 開發了提高 X 射線光譜映射精度的設備和方法。這一進展在原子和量子物理學的發展中被證明是重要的。
6. 1927 年,美國物理學家阿瑟 · 康普頓發現了 X 射線的康普頓效應,和英國物理學家查爾斯 · 威爾遜共同獲得諾貝爾物理學獎。
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根據愛因斯坦的光電效應理論,光由量子組成,量子是具有對應于特定頻率的确定能量的 " 包 "。光量子稱爲光子。當亞瑟康普頓在 1922 年将 X 射線光子引導到金屬表面上時,電子被釋放,X 射線的波長增加,因爲一些入射光子能量被轉移到電子上。實驗證實,電磁輻射也可以按照力學定律被描述爲光子粒子。
7. 1936 年,美籍荷蘭科學家彼得 · 德拜通過對偶極矩以及氣體中的 X 射線和電子衍射的研究,來了解分子結構,被授予諾貝爾化學獎。
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彼得 · 德拜(Peter Debye)在 1912 年開發的确定電荷如何在分子中分布的方法在分子結構的映射中變得很重要。與此同時,X 射線輻射正在成爲繪制晶體結構的重要工具,但德拜還開發了使用 X 射線和電子束來繪制氣體中分子結構的方法。
8. 1946 年,美國生物學家赫爾曼 · 約瑟夫 · 穆勒(Hermann Josepn Muller)因發現 X 射線能人爲地誘發遺傳突變,而獲諾貝爾生理學醫學獎。
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爲了解釋生物的基因如何變化并允許物種進化和新物種的出現,在 1880 年代後期創造了一個新術語——突變。突變涉及生物體遺傳密碼的突然變化。赫爾曼 · 穆勒(Herman Muller)研究了果蠅的遺傳特征,并在 1927 年發現,當果蠅暴露于 X 射線時,在果蠅中觀察到的基因突變數量增加。他發現,蒼蠅暴露在 X 射線和其他電離輻射的劑量越高,發生的突變數量就越多。
9. 1954 年,美國科學家萊納斯 · 鮑林在化學鍵的研究以及用化學鍵的理論闡明複雜的物質結構,而獲得諾貝爾化學獎,而且他還獲得了 1963 年諾貝爾和平獎。
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通過蛋白質結晶進行 X 射線衍射實驗仍然是測定蛋白質三級結構的主要方法,人類已知結構的絕大部分蛋白質都是經由這種方法測定獲得的。結合血紅蛋白的晶體衍射圖譜,鮑林提出蛋白質中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的,這是最早的 α 螺旋結構模型。
10. 1962 年,奧地利科學家馬克斯 · 費迪南德 · 佩魯茨和英國科學家約翰 · 肯德魯,用 X 射線衍射分析法首次精确地測定了蛋白質晶體結構而分享了諾貝爾化學獎。
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當 X 射線穿過晶體結構時,形成的圖案可以捕獲爲攝影圖像,然後用于确定晶體的結構。在 1930 年代,這種方法被用來繪制越來越大和複雜的分子。1957 年,約翰 · 肯德魯成爲第一個成功确定蛋白質原子結構的人。他解開了肌紅蛋白的結構,肌紅蛋白是一種在肌肉細胞中發現的儲氧蛋白。
馬克斯 · 佩魯茨(Max Perutz)開始繪制血紅蛋白的結構圖譜,這種蛋白質允許血液将提供能量的氧氣輸送到身體的肌肉。他的研究于 1959 年完成,随後對血紅蛋白分子及其功能進行了進一步的研究。
11. 1964 年,諾貝爾化學獎授予英國科學家多蘿西 · 克勞富特 · 霍奇金,以表彰她通過 X 射線技術測定重要生化物質的結構。
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英國科學家多蘿西 · 克勞富特 · 霍奇金通過大量的 X 射線衍射圖像,廣泛的計算和敏銳的分析,在 1946 年成功地确定了青黴素的結構,并在 1956 年成功地确定了維生素 B12 的結構,維生素 B12 的結構是所有維生素中最複雜的。
12. 1969 年,挪威化學家哈塞爾和英國化學家巴頓因提出 " 構象分析 " 的原理和方法,并應用在有機化學研究而同獲諾貝爾化學獎。
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哈塞爾與英國化學家德裏克 · 巴頓(DerekHarold Richard Barton)因提出 " 構象分析 " 的原理和方法,并把它應用在有機化學研究中,用 X 射線衍射分析法研究了分子特性與分子中原子的複雜空間三維結構之間的關系,對發展立體化學理論作出了貢獻而同獲 1969 年諾貝爾化學獎。
13. 1976 年,利普斯科姆因用低溫 X 射線衍射和核磁共振等方法,研究硼化合物的結構及成鍵規律,獲得諾貝爾化學獎。
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硼烷是由堿性元素硼和氫制成的化合物。硼烷與其他物質接觸時具有高度反應性,可用于刺激許多不同的化學反應。從 1950 年代開始,威廉 · 利普斯科姆研究了不同硼烷的成分。使用 X 射線,他繪制了它們的結構圖,并在量子力學計算的幫助下,能夠預測它們在不同條件下如何與其他物質反應。他的研究提高了我們對原子如何在分子内結合在一起的理解。
14. 1980 年,桑格借助于 X 射線分析法與吉爾伯特、伯格因确定了胰島素分子結構和 DNA 核苷酸順序以及基因結構,而共獲諾貝爾化學獎。
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15. 1981 年,凱 · 西格巴恩由于在電子能譜學方面的開創性工作,獲得了諾貝爾物理學獎的一半,另一半由尼古拉斯 · 布隆伯根和亞瑟 · 倫納德 · 肖洛 共同獲得,以表彰他們對激光光譜學發展的貢獻。
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凱 · 西格班将他在核能譜方面的經驗用于外光電效應,并将高分辨率儀器用于實驗,在這個領域獲得了重大改進。他們将新研制的測量 X 射線光電子能量的雙聚焦高分辨率電子能譜儀用于研究電子、光子或其它粒子轟擊原子體系後發射出來的電子,系統地研究了各種元素的電子結合能。後來他們又将此項技術用于化學分析的電子能譜。
凱 · 西格班開創了一種新的分析方法— X 射線光電子能譜學 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy),或化學分析電子能譜學 ESCA(ElectronSpectroscopy for Chemical Analysis)。X 射線光電子能譜學是化學上研究電子結構和高分子結構、鏈結構分析的有力工具,西格班開創的光電子能譜學爲探測物質結構提供了非常精确的方法。
16. 1988 年,戴森霍費爾、胡伯爾、米歇爾因用 X 射線晶體分析法,确定了光合成中能量轉換反應的反應中心複合物的立體結構,共享了諾貝爾化學獎。
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他們三人合作用 X 射線晶體分析法,确定了光合成中能量轉換反應的反應中心複合物的立體結構,揭示了由膜束的蛋白質形成的全部細節,而分享了 1988 年諾貝爾化學獎。
17. 2002 年,裏卡爾多 · 賈科尼因爲對天體物理學的開創性貢獻,導緻了宇宙 X 射線源的發現,獲得了諾貝爾物理學獎的一半。另一半由小雷蒙德 · 戴維斯和日本物理學家小柴昌俊共同獲得,以表彰他們對天體物理學的開創性貢獻,特别是在探測宇宙中微子方面的研究。
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從 1960 年代開始,裏卡爾多 · 賈科尼(Riccardo Giacconi)爲這種望遠鏡的發展做出了幾項關鍵性的貢獻。通過望遠鏡,他發現了我們太陽系外的 X 射線源,X 射線波長的宇宙背景輻射以及可能包含黑洞的 X 射線源。
以上數據來自于諾貝爾獎官網,按照我們的粗略統計,共有 24 位科學家通過研究 X-Ray,或者使用 X-Ray 爲工具進行的研究成果獲得了諾貝爾獎。
這就是電磁波的魅力所在,所以,電磁波的研究還是非常有意義的。
作爲射頻工程師的我們,要加油啊,萬一中獎了呢?那可是接近 1000 萬的獎金啊。
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本文來自微信公衆号:射頻學堂(ID:RF_Center),作者:RF 小木匠