馬克斯·馮·勞厄（德國(guó)物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射現(xiàn)象）

馬克思·馮·勞厄（Max von Laue，1879年10月9日—1960年4月24日），德國(guó)物理學(xué)家，1912年發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射現(xiàn)象，并因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這是固體物理學(xué)中具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，從此，人們可以通過觀察衍射花紋研究晶體的微觀結(jié)構(gòu)，并且對(duì)生物學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展都起到了巨大的推動(dòng)作用。例如1953年沃森和克里克就是通過X射線衍射方法得到了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

人物生平

1879年10月5日生于柯布倫茨附近 的普法芬多夫。勞厄在青少年時(shí)期就顯示出對(duì)自然科學(xué)的興趣，并得到父母和中學(xué)教師的支持。在斯特拉斯堡中學(xué)時(shí)，一位數(shù)學(xué)教師把亥姆霍茲的通俗科學(xué)講演集介紹給他，使他得知當(dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展的主要?jiǎng)酉?。他還和兩位同學(xué)一起在一位熱心的教師家里作過當(dāng)時(shí)剛為W.K.倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線實(shí)驗(yàn)。中學(xué)畢業(yè)后，勞厄先后就讀于斯特拉斯堡、格丁根、慕尼黑和柏林幾所大學(xué)，聽過D.希耳伯特、M.普朗克等大師的課。

1904年他在普朗克指導(dǎo)下以《平行平面板上的干涉現(xiàn)象的理論》為題完成了博士論文，隨后留校做普朗克的助教。

1909年勞厄到慕尼黑大學(xué)任教。那時(shí)A.索末菲的講課和討論班吸引了許多年青的物理學(xué)家來到慕尼黑，討論的主題都與當(dāng)時(shí)物理學(xué)在理論和實(shí)驗(yàn)方面的新的概念和發(fā)現(xiàn)有關(guān)。關(guān)于X 射線的本性的各種看法也是主題之一。勞厄認(rèn)為X射線是電磁波，他在同一位博士研究生P.P.厄瓦耳交談時(shí)，產(chǎn)生了用X 射線照射晶體用以研究固體結(jié)構(gòu)的想法。他設(shè)想X 射線是極短的電磁波,而晶體又是原子（離子）的有規(guī)則的三維排列,只要X射線的波長(zhǎng)和晶體中原子（離子）的間距具有相同的數(shù)量級(jí)，那么當(dāng)用X 射線照射晶體時(shí)就應(yīng)能觀察到干涉現(xiàn)象。

在勞厄的鼓勵(lì)下，索末菲的助教W.弗里德里奇和倫琴的博士研究生P.克尼平在 1912年4月開始了這項(xiàng)試驗(yàn)。他們把一個(gè)垂直于晶軸切割的平行晶片放在 X射線源和照相底片之間。果然在照相底片上顯示出有規(guī)則的斑點(diǎn)群。勞厄的設(shè)想被證實(shí)了，一舉解決了X 射線的本性問題,而且初步揭露了晶體的微觀結(jié)構(gòu)(見彩圖W.弗里德里奇和P.克尼平按照 M.von勞厄(1879～1960)的設(shè)想研究晶體中X射線衍射所用的 儀器)。A.愛因斯坦曾稱此實(shí)驗(yàn)為"物理學(xué)最美的實(shí)驗(yàn)"。勞厄隨后從光的三維衍射理論出發(fā),以幾何觀點(diǎn)完成了X射線在晶體中的衍射理論，成功地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于他忽略了晶體中原子(離子)的熱運(yùn)動(dòng)，這個(gè)理論還只是近似的。

1931年，勞厄終于完成了X射線的"動(dòng)力學(xué)理論"。勞厄的這項(xiàng)工作為在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)電子的波動(dòng)性奠定了基礎(chǔ)，對(duì)此后的物理學(xué)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。由于發(fā)現(xiàn) X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，勞厄獲得了1914年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1905年，勞厄在普朗克的討論班上得悉愛因斯坦的工作，深為關(guān)于空間時(shí)間的這個(gè)新思想所吸引；

1907年他專程去伯爾尼拜訪了愛因斯坦，他們從此成為終生的摯友。

1911年，勞厄?qū)懗傻谝槐娟U述愛因斯坦理論的專著《相對(duì)性原理》，闡明了新的空間時(shí)間概念和以接近于光速的速度運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)，為愛因斯坦的理論贏得更多的支持。

勞厄從1912年起先后在蘇黎世大學(xué)和法蘭克福大學(xué)任教，1919年回到柏林大學(xué)任物理學(xué)教授。在柏林期間，勞厄成為德國(guó)物理學(xué)界的權(quán)威之一，曾擔(dān)任德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。勞厄?yàn)槿苏?，本無意于政治活動(dòng)，但當(dāng)科學(xué)研究自由受到威脅時(shí)，他總是義正辭嚴(yán)地起來捍衛(wèi)它。早在1920年，當(dāng)P.勒納等人在柏林召開反愛因斯坦廣義相對(duì)論的公開集會(huì)第二天，勞厄就和W.能斯脫、H.魯本斯聯(lián)名在柏林日?qǐng)?bào)上發(fā)表公開信予以反擊。

在納粹統(tǒng)治時(shí)期，1933年在維爾茨堡舉行的全德物理學(xué)家年會(huì)上，勞厄以物理學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)的身份致開幕詞。他在講話的末尾引用伽利略堅(jiān)持N.哥白尼的日心說而遭到教會(huì)迫害這一歷史事件，間接地捍衛(wèi)了當(dāng)時(shí)正受到主張所謂"德意志物理學(xué)"的納粹黨徒攻擊的愛因斯坦和其他猶太科學(xué)家；最后的結(jié)束語是"然而，在任何壓迫面前，科學(xué)的捍衛(wèi)者都具有 完全勝利的信念，這信念就是伽利略的這一句話：'無論如何，它在運(yùn)動(dòng)！'"。同年他不顧J.斯塔克的威脅，拒絕參加斯塔克召集的擁護(hù)納粹的集會(huì)。在第二次世界大戰(zhàn)期間,他從未參與有關(guān)軍事的科學(xué)活動(dòng)。

1943年終于為納粹當(dāng)局強(qiáng)令從柏林大學(xué)提前退休。

1945年德國(guó)投降后，勞厄和O.哈恩、W.K.海森伯等人被美國(guó)軍方送往英國(guó)。

1946年1月勞厄返回德國(guó)后,定居于格丁根。他為重建德國(guó)物理學(xué)會(huì)和將威廉皇帝協(xié)會(huì)改建為馬克斯·普朗克協(xié)會(huì)作出了重大努力。當(dāng)1946年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)主持召開國(guó)際結(jié)晶學(xué)會(huì)議時(shí)，他是應(yīng)邀參加會(huì)議的唯一一位德國(guó)學(xué)者。他還和普朗克一起參加了英國(guó)舉行的牛頓紀(jì)念大會(huì)。在這兩個(gè)會(huì)議上，勞厄和普朗克在納粹統(tǒng)治時(shí)期為維護(hù)學(xué)術(shù)尊嚴(yán)和科學(xué)自由的行為備受贊揚(yáng)，與會(huì)者稱他們是真正的人和真正的科學(xué)家。

1957年法國(guó)授予勞厄榮譽(yù)軍團(tuán)勛章以表彰他捍衛(wèi)人的尊嚴(yán)和自由的功績(jī)。勞厄在1943年寫成的一部具有特色的《物理學(xué)史》，于1947年出版（中譯本，1978）。

1951年勞厄被選為馬克斯·普朗克協(xié)會(huì)的哈伯研究所所長(zhǎng)，以72歲的高齡重返他曾居住多年的柏林。此后，他致力于相對(duì)論電動(dòng)力學(xué)、超導(dǎo)理論等方面的工作，并重行修訂了《相對(duì)性原理》一書。

1960年4月23日在柏林逝世。

勞厄逝世后，1961年出版了他的《著作和報(bào)告全集》，計(jì)3卷。

輝煌人生

自從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，關(guān)于X射線的本質(zhì)，科學(xué)家們提出了各自的看法。

倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線之后，物理學(xué)家和醫(yī)學(xué)界人士趕緊研究這種新的射線。在1896已有1000篇以上關(guān)于 這個(gè)課題的論文。在1896至1897年間，倫琴自己只寫了兩篇關(guān)于X射線的文章。然后，他回到原先研究的課題上去，在以后的二十四年里寫過七篇只引起短暫興趣的文章，而把對(duì)X射線的研究讓給了其他的年輕的新生力量。

對(duì)他這樣的做法的理由，人們只能推測(cè)而已。倫琴一生在物理學(xué)許多領(lǐng)域中進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究工作，如對(duì)電介質(zhì)在充電的電容器中運(yùn)動(dòng)時(shí)的磁效應(yīng)、氣體的比熱容、晶體的導(dǎo)熱性、熱釋電和壓電現(xiàn)象、光的偏振面在氣體中的旋轉(zhuǎn)、光與電的關(guān)系、物質(zhì)的彈性、毛細(xì)現(xiàn)象等方面的研究都作出了一定的貢獻(xiàn)，由于他發(fā)現(xiàn)X射線而贏得了巨大的榮譽(yù)，以致這些貢獻(xiàn)大多不為人所注意。

勞厄認(rèn)為，X射線是電磁波。他在與博士研究生厄瓦耳交談時(shí)，產(chǎn)生了用X射線照射晶體以研究固體結(jié)構(gòu)的想法。他設(shè)想，X射線是極短的電磁波，而晶體是原子（離子）的有規(guī)則的三維排列。只要X射線的波長(zhǎng)和晶體中原子（離子）的間距具有相同的數(shù)量級(jí)，那么當(dāng)用X射線照射晶體時(shí)就應(yīng)能觀察到干涉現(xiàn)象。在勞厄的鼓勵(lì)下，索末菲的助教弗里德里奇和倫琴的博士研究生克尼平在1912年開始了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他們把一個(gè)垂直于晶軸切割的平行晶片放在X射線源和照相底片之間，結(jié)果在照相底片上顯示出了有規(guī)則的斑點(diǎn)群。

后來，科學(xué)界稱其為“勞厄圖樣”。勞厄設(shè)想的證實(shí)一舉解決了X射線的本性問題，并初步揭示了晶體的微觀結(jié)構(gòu)。愛因斯坦曾稱此實(shí)驗(yàn)為“物理學(xué)最美的實(shí)驗(yàn)”。

隨后， 勞厄從光的三維衍射理論出發(fā)，以幾何觀點(diǎn)完成了X射線在晶體中的衍射理論，成功地解釋了有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但由于他忽略了晶體中原子（離子）的熱運(yùn)動(dòng)，這個(gè)理論還只是近似的。到1931年，勞厄終于完成了X射線的“動(dòng)力學(xué)理論”。 勞厄的這項(xiàng)工作為在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)電子的波動(dòng)性奠定了基礎(chǔ)，對(duì)此后的物理學(xué)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

晶體X射線衍射

晶體X射線衍射即X射線在晶體中發(fā)生的衍射現(xiàn)象。晶體具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的周期（即晶胞邊長(zhǎng)，b，c）與X射線的波長(zhǎng)屬于同一數(shù)量級(jí)，X射線衍射現(xiàn)象是一種基于波疊加原理的干涉現(xiàn)象，干涉的 結(jié)果隨不同而有所不同（Δ為波程差；λ為波長(zhǎng)）。

為整數(shù)的方向，波的振幅得到最大程度的加強(qiáng)，稱為衍射，對(duì)應(yīng)的方 向?yàn)檠苌浞较?，而為半整數(shù)的方向，波的振幅得到最大程度的抵消。因此，X射線通過晶體之后，在某些方向（衍射方向）X射線的強(qiáng)度增強(qiáng)，而另一些方向X射線強(qiáng)度卻減弱甚至消失，如果在晶體的背后放置一張感光底片，將會(huì)得到X射線的衍射圖形。利用X射線衍射原理制造的X射線衍射儀，是測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的最主要儀器。根據(jù)衍射的方向可以測(cè)定晶格參數(shù)或晶胞的大小和形狀。

根據(jù)衍射線強(qiáng)度分布能夠測(cè)定原子在晶胞中的坐標(biāo)，因此X射線衍射法也是測(cè)定分子空間構(gòu)型的主要方法。產(chǎn)生晶體X射線衍射的條件可用勞厄方程來描述，勞厄方程的標(biāo)量表達(dá)式如下：（cos－cos0）=hλ；b（cosβ－cosβ0）=kλ；c（cosγ－cosγ0）=lλ式中、b、c為晶胞邊長(zhǎng)；0、β0、γ0是入射線與晶胞基向量的夾角；、β、γ是衍射線與晶胞基向量的夾角；h、k、l是三個(gè)正整數(shù)，稱為衍射指數(shù)；λ是X射線的波長(zhǎng)。描述X射線衍射條件，還可以用布拉格方程：2dsinθ=nλ式中d為相鄰兩個(gè)晶面之間的距離；θ為入射線或反射線與晶面的交角；λ為X射線波長(zhǎng)；n為正整數(shù)。

布拉格方程與勞厄方程雖然表達(dá)方式不同，但其實(shí)質(zhì)是相同的。當(dāng) X射線的波長(zhǎng)與入射線方向以及晶體方位確定以后，勞厄方程中的λ、、b、c、0、β0、γ0 都已確定，只有、β、γ是變量，它們必須滿足勞厄方程，但是，、β、γ3個(gè)變量不是獨(dú)立的，例如在直角坐標(biāo)中應(yīng)滿足：cos2+cos2β+cos2γ=1這就是說，3個(gè)變量、β、γ應(yīng)同時(shí)滿足4個(gè)方程，這在一般條件下是不可能的，因而得不到衍射圖。

為了解決這個(gè)問題，必須再增加一個(gè)變數(shù)，有兩種辦法可供選擇：①晶體不動(dòng)（0、β0、γ0固定），改變波長(zhǎng)λ，即采用白色X射線；②波長(zhǎng)不變，即用單色X射線 ，讓晶體繞某晶軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即改變0、β0、γ0 。

這樣可在某些特定的晶體方位得到衍射圖，這種方法叫做轉(zhuǎn)動(dòng)晶體法。以上兩種方法都是對(duì)單晶體而言的。如果晶體是多晶，每個(gè)小單晶體在空間的取向是隨機(jī)的，勞厄方程總可以得到滿足，這就是粉末法的基礎(chǔ)。

勞厄法

將具連續(xù)波長(zhǎng)分布的“白色”X射線作用于靜止安置的單晶以獲取衍射信息的方法。早期的勞厄法以平板的感光膠片置于按一定軸向或晶棱取向安置的單晶樣之后，根據(jù)所得勞厄衍射圖的花樣判斷該晶軸 或晶棱方向的對(duì)稱性，以助于對(duì)晶體勞厄點(diǎn)群的研究。由于X射線源、晶體與底片的相互位置不同，而又分為透射勞厄法和背射勞厄法。

透射法所出現(xiàn)的衍射點(diǎn)分別在不同的橢圓上，背射法衍射點(diǎn)分別分布在不同的雙曲線上。通過對(duì)這些點(diǎn)的分析，可測(cè)定晶體取向。

20世紀(jì)80～90年代間，利用同步輻射強(qiáng)白色X射線源，結(jié)合高能儲(chǔ)存環(huán)等新技術(shù)以勞厄法已做到只需毫秒級(jí)時(shí)間即可完成收集一套蛋白或病毒晶體的衍射數(shù)據(jù)。這意味著時(shí)間分辨大分子晶體學(xué)業(yè)已誕生，用勞厄法衍射數(shù)據(jù)已獲解析出鵝蛋白、溶菌酶大分子結(jié)構(gòu)等先進(jìn)成果。

人物評(píng)價(jià)

馬克斯·馮·勞厄，X射線晶體分析的先驅(qū)。