这种神奇的电磁波，诞生了17个诺贝尔奖得主
热搜大全 2023-10-31
题图来自：《X 战警》
2023 年的诺贝尔物理学奖授予了 " 一种极短的光 "，这种极短的光是不是电磁波呢？我想答案应该是属于。因为在麦克斯韦推导出麦克斯韦方程组的时候，就证明了光也是一种电磁波。
但是如果问：哪一种电磁波最特别？
我想答案一定是：X- Ray（X 射线）。
这种神奇的电磁波，波长非常接近原子大小，仅 0.01nm —— 10nm，频率在 30PHz~300EHz。X- Ray 的能量极大，在能量为 100eV〜10MeV 之间，不仅能够穿透人体组织，进行医学检查；也能够穿透金属等固体，进行工业探伤，具有非常重要的应用价值。
我们知道，第一届的诺贝尔奖就授予了这种神奇的电磁波的发现人——伦琴，以表彰伦琴在发现 X-Ray 所做的重大贡献。
在电磁领域，如果说谁最应该得到诺贝尔奖的话，我想第一个应该是法拉第。这位修鞋匠的儿子，靠着个人孜孜不倦地学习和百折不挠的实验精神，验证了电和磁的统一，并提出了电磁场的概念。除此之外，法拉第在实验中还在稀薄的气体中放电时产生一种色彩绚丽的光，这种光后来被科学家称为 " 阴极射线 "，在伦琴等人的进一步的研究中，这种神奇的电磁波终于浮出水面—— X Ray 诞生了。
谁也不会想到，仅仅对这一种电磁波的研究，就可以产生十几个诺贝尔奖，涵盖诺贝尔物理学奖，诺贝尔化学奖和诺贝尔生理学和医学奖。
我们一起来盘点一下。
1. 1901 年，首届诺贝尔物理学奖授予了威廉 · 康拉德 · 伦琴，以表彰他发现了这个伟大而神奇的射线—— X 射线，也叫做伦琴射线。
图 /nobelprize.org
2. 1914 年，诺贝尔物理学奖授予德国科学家马克斯 · 冯 · 劳厄，以表彰他发现了晶体对 X-Ray 的衍射。
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当波穿过屏幕中间隔紧密的小开口时，就会发生一种称为衍射图案的现象。1912 年，马克斯 · 冯 · 劳厄（Max von Laue）提出了一个想法，即穿过晶体的 X 射线可能会产生类似的模式。也就是说，晶体的结构将与屏幕中的开口相对应。实验证实了冯 · 劳埃的想法。这表明 X 射线可以被描述为波。该方法还可以使用衍射图来确定晶体的结构。
3. 1915 年，诺贝尔物理学奖授予了布拉格父子：威廉 · 亨利 · 布拉格和威廉 · 劳伦斯 · 布拉格，以表彰他们用 X 射线对晶体的研究。威廉 · 劳伦斯 · 布拉格也是迄今为止最年轻的诺贝尔物理学奖的获得者。
马克斯 · 冯 · 劳埃（Max von Laue）发现 X 射线穿过晶体时会发生衍射图案，这激发了威廉和劳伦斯 · 布拉格（William 和 Lawrence Bragg）在该地区进行自己的研究。他们的贡献包括建立 X 射线波长，入射角和晶体内部原子层之间的距离之间的关系。这为研究晶体结构提供了强大的工具。使用衍射图案方法，现在也可以计算晶体结构中原子的位置。
4. 1917 年，诺贝尔奖授予了英国物理学家查尔斯 · 格洛弗 · 巴克拉，以表彰他发现了元素的特征 X-Ray 辐射。
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巴克拉在发现 X 射线之后，很快就确定辐照化合物会发射二次 X 射线。在二次光谱中，出现了对应于不同波长的线。1906 年左右，查尔斯 · 巴克拉（Charles Barkla）表明，无论温度、结构和化学成分如何，每种元素的二次光谱都是独一无二的。因此，它的光谱是原子的特征性质，因此成为原子研究的重要工具。
5. 1924 年，诺贝尔物理学奖授予瑞典物理学家曼内 · 西格巴恩，以表彰他在 X 射线光谱学领域的发现和研究。
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发现 X 射线几年后，查尔斯 · 巴克拉（Charles Barkla）表明，暴露于 X 射线的化合物会发射具有不同元素特征波长的二次 X 射线。在研究了许多元素之后，亨利 · 莫斯利能够添加和修改元素周期表。Manne Siegbahn 开发了提高 X 射线光谱映射精度的设备和方法。这一进展在原子和量子物理学的发展中被证明是重要的。
6. 1927 年，美国物理学家阿瑟 · 康普顿发现了 X 射线的康普顿效应，和英国物理学家查尔斯 · 威尔逊共同获得诺贝尔物理学奖。
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根据爱因斯坦的光电效应理论，光由量子组成，量子是具有对应于特定频率的确定能量的 " 包 "。光量子称为光子。当亚瑟康普顿在 1922 年将 X 射线光子引导到金属表面上时，电子被释放，X 射线的波长增加，因为一些入射光子能量被转移到电子上。实验证实，电磁辐射也可以按照力学定律被描述为光子粒子。
7. 1936 年，美籍荷兰科学家彼得 · 德拜通过对偶极矩以及气体中的 X 射线和电子衍射的研究，来了解分子结构，被授予诺贝尔化学奖。
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彼得 · 德拜（Peter Debye）在 1912 年开发的确定电荷如何在分子中分布的方法在分子结构的映射中变得很重要。与此同时，X 射线辐射正在成为绘制晶体结构的重要工具，但德拜还开发了使用 X 射线和电子束来绘制气体中分子结构的方法。
8. 1946 年，美国生物学家赫尔曼 · 约瑟夫 · 穆勒（Hermann Josepn Muller）因发现 X 射线能人为地诱发遗传突变，而获诺贝尔生理学医学奖。
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为了解释生物的基因如何变化并允许物种进化和新物种的出现，在 1880 年代后期创造了一个新术语——突变。突变涉及生物体遗传密码的突然变化。赫尔曼 · 穆勒（Herman Muller）研究了果蝇的遗传特征，并在 1927 年发现，当果蝇暴露于 X 射线时，在果蝇中观察到的基因突变数量增加。他发现，苍蝇暴露在 X 射线和其他电离辐射的剂量越高，发生的突变数量就越多。
9. 1954 年，美国科学家莱纳斯 · 鲍林在化学键的研究以及用化学键的理论阐明复杂的物质结构，而获得诺贝尔化学奖，而且他还获得了 1963 年诺贝尔和平奖。
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通过蛋白质结晶进行 X 射线衍射实验仍然是测定蛋白质三级结构的主要方法，人类已知结构的绝大部分蛋白质都是经由这种方法测定获得的。结合血红蛋白的晶体衍射图谱，鲍林提出蛋白质中的肽链在空间中是呈螺旋形排列的，这是最早的 α 螺旋结构模型。
10. 1962 年，奥地利科学家马克斯 · 费迪南德 · 佩鲁茨和英国科学家约翰 · 肯德鲁，用 X 射线衍射分析法首次精确地测定了蛋白质晶体结构而分享了诺贝尔化学奖。
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当 X 射线穿过晶体结构时，形成的图案可以捕获为摄影图像，然后用于确定晶体的结构。在 1930 年代，这种方法被用来绘制越来越大和复杂的分子。1957 年，约翰 · 肯德鲁成为第一个成功确定蛋白质原子结构的人。他解开了肌红蛋白的结构，肌红蛋白是一种在肌肉细胞中发现的储氧蛋白。
马克斯 · 佩鲁茨（Max Perutz）开始绘制血红蛋白的结构图谱，这种蛋白质允许血液将提供能量的氧气输送到身体的肌肉。他的研究于 1959 年完成，随后对血红蛋白分子及其功能进行了进一步的研究。
11. 1964 年，诺贝尔化学奖授予英国科学家多萝西 · 克劳富特 · 霍奇金，以表彰她通过 X 射线技术测定重要生化物质的结构。
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英国科学家多萝西 · 克劳富特 · 霍奇金通过大量的 X 射线衍射图像，广泛的计算和敏锐的分析，在 1946 年成功地确定了青霉素的结构，并在 1956 年成功地确定了维生素 B12 的结构，维生素 B12 的结构是所有维生素中最复杂的。
12. 1969 年，挪威化学家哈塞尔和英国化学家巴顿因提出 " 构象分析 " 的原理和方法，并应用在有机化学研究而同获诺贝尔化学奖。
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哈塞尔与英国化学家德里克 · 巴顿（DerekHarold Richard Barton）因提出 " 构象分析 " 的原理和方法，并把它应用在有机化学研究中，用 X 射线衍射分析法研究了分子特性与分子中原子的复杂空间三维结构之间的关系，对发展立体化学理论作出了贡献而同获 1969 年诺贝尔化学奖。
13. 1976 年，利普斯科姆因用低温 X 射线衍射和核磁共振等方法，研究硼化合物的结构及成键规律，获得诺贝尔化学奖。
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硼烷是由碱性元素硼和氢制成的化合物。硼烷与其他物质接触时具有高度反应性，可用于刺激许多不同的化学反应。从 1950 年代开始，威廉 · 利普斯科姆研究了不同硼烷的成分。使用 X 射线，他绘制了它们的结构图，并在量子力学计算的帮助下，能够预测它们在不同条件下如何与其他物质反应。他的研究提高了我们对原子如何在分子内结合在一起的理解。
14. 1980 年，桑格借助于 X 射线分析法与吉尔伯特、伯格因确定了胰岛素分子结构和 DNA 核苷酸顺序以及基因结构，而共获诺贝尔化学奖。
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15. 1981 年，凯 · 西格巴恩由于在电子能谱学方面的开创性工作，获得了诺贝尔物理学奖的一半，另一半由尼古拉斯 · 布隆伯根和亚瑟 · 伦纳德 · 肖洛 共同获得，以表彰他们对激光光谱学发展的贡献。
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凯 · 西格班将他在核能谱方面的经验用于外光电效应，并将高分辨率仪器用于实验，在这个领域获得了重大改进。他们将新研制的测量 X 射线光电子能量的双聚焦高分辨率电子能谱仪用于研究电子、光子或其它粒子轰击原子体系后发射出来的电子，系统地研究了各种元素的电子结合能。后来他们又将此项技术用于化学分析的电子能谱。
凯 · 西格班开创了一种新的分析方法— X 射线光电子能谱学 XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy），或化学分析电子能谱学 ESCA（ElectronSpectroscopy for Chemical Analysis）。X 射线光电子能谱学是化学上研究电子结构和高分子结构、链结构分析的有力工具，西格班开创的光电子能谱学为探测物质结构提供了非常精确的方法。
16. 1988 年，戴森霍费尔、胡伯尔、米歇尔因用 X 射线晶体分析法，确定了光合成中能量转换反应的反应中心复合物的立体结构，共享了诺贝尔化学奖。
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他们三人合作用 X 射线晶体分析法，确定了光合成中能量转换反应的反应中心复合物的立体结构，揭示了由膜束的蛋白质形成的全部细节，而分享了 1988 年诺贝尔化学奖。
17. 2002 年，里卡尔多 · 贾科尼因为对天体物理学的开创性贡献，导致了宇宙 X 射线源的发现，获得了诺贝尔物理学奖的一半。另一半由小雷蒙德 · 戴维斯和日本物理学家小柴昌俊共同获得，以表彰他们对天体物理学的开创性贡献，特别是在探测宇宙中微子方面的研究。
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从 1960 年代开始，里卡尔多 · 贾科尼（Riccardo Giacconi）为这种望远镜的发展做出了几项关键性的贡献。通过望远镜，他发现了我们太阳系外的 X 射线源，X 射线波长的宇宙背景辐射以及可能包含黑洞的 X 射线源。
以上数据来自于诺贝尔奖官网，按照我们的粗略统计，共有 24 位科学家通过研究 X-Ray，或者使用 X-Ray 为工具进行的研究成果获得了诺贝尔奖。
这就是电磁波的魅力所在，所以，电磁波的研究还是非常有意义的。
作为射频工程师的我们，要加油啊，万一中奖了呢？那可是接近 1000 万的奖金啊。
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本文来自微信公众号：射频学堂（ID：RF_Center），作者：RF 小木匠
