braggs

史上唯一同時獲得諾貝爾獎的父子檔

史上唯一同時獲得諾貝爾獎的父子檔

史上唯一同時獲得諾貝爾獎的父子檔

獲得諾貝爾獎相當難能可貴,同一家族出現兩名以上諾貝爾獎得主已是屈指可數,而布拉格父子以 X 光繞射的研究,一起獲頒諾貝爾物理獎,更是絕無僅有。

這對父子檔中的父親亨利.布拉格 (William Henry Bragg) 於1885年自英國劍橋大學的三一學院畢業,因為成績優異,便在老師湯姆森 (J. J. Thomson,就是發現電子那位物理學家) 的推薦下,獲聘至澳洲的阿德雷得大學 (University of Adelaide) 擔任教授,講授數學與實驗物理。

其實亨利的專長是數學,他跟湯姆森僅上過一年的物理課,物理造詣並不深,但澳洲的學校這樣要求,他只能硬著頭皮一邊重新鑽研物理書籍,一邊跟學生上課。亨利到了澳洲才發現學校不僅缺師資,實驗器材也不足,若要再從英國訂購恐曠日廢時,他只好到當地儀器廠商那兒實習,試著自己打造上課所需的實驗設備。塞翁失馬,焉知非福,這些經驗反倒對他日後設計 X 光繞射的實驗大有幫助。

1889 年,亨利娶了也是從英國來澳洲的天文學家的女兒,隔年即生下長子勞倫斯 (William Lawrence Bragg)。小布拉格 5 歲時騎腳踏車跌傷,手肘骨折。亨利想起不久前讀到倫琴 (Wilhelm Röntgen) 的一篇論文,寫他如何無意間用「克魯克斯管」(Crookes tube,陰極射線管的前身) 產生 X 射線,照出妻子左手掌的骨骼照片。於是亨利起心動念,也想用 X 射線為兒子檢查骨頭傷勢。

剛巧他岳父的朋友剛從英國帶回一台克魯克斯管,亨利向他借來架設,成功幫兒子照了 X 光片。這是澳洲第一張 X 光片,也是布拉格父子在 X 光的第一次交集。

勞倫斯 16 歲就進入阿德雷得大學就讀,自然也成了老爸的學生。1908 年,亨利收到英國里茲大學 (University of Leeds) 的聘書,於是隔年舉家遷回英國,亨利終於回到睽違 23 年的故土。勞倫斯則進入老爸的母校劍橋大學,兩年之後畢業,繼續在三一學院讀研究所,巧的是,指導教授正是當年教過老爸的湯姆森。

小布拉格 (William Lawrence Bragg)

1912 年,德國物理學家勞厄 (Max von Laue) 發現 X 射線穿過晶體會產生繞射現象,才確定神秘的 X 射線其實就是一種電磁波。當時就讀研究所一年級的勞倫斯對於勞厄的實驗中,繞射圖案有時明顯、有時模糊感到好奇,思考是否有個模型可以解釋這個現象。

有一天他沿著河邊散步時,突然靈光一閃,想出其中道理。晶體內的原子排列整齊方正,就像一層一層的積木,每一層都會反射打進來的 X 光。不同層反射的 X 光抵達屏幕時行經的距離不同,波峰∕波谷的位置也就不同,因而形成建設性干涉或破壞性干涉。當行經距離的差距是波長的整數倍時,繞射圖案最為明顯。假設晶格中每層的距離都固定不變,那麼繞射圖案就只取決於晶格間距、X 光的波長,以及入射的角度。

勞倫斯找老爸討論這個想法,亨利聽了之後,認為要確認是否正確的最有效方法,就是直接做實驗。他立刻動手打造讓晶體任意旋轉,並且可以精確測出 X 光散射角度的裝置,以及能產生特定波長的「X 射線光譜儀」(X-ray spectrometer),兩人開始一起進行實驗。

他們在分析了大量數據後,很快於 1913 年共同發表論文,提出勞倫斯所發想的「布拉格定律」:

nλ = 2dsinθ

其中 n 為整數,λ 為 X 光的波長,d 為原子晶格內的層距,而θ則是入射光與散射層間的夾角。

發表論文後,布拉格父子繼續用這套裝置做實驗,陸續測出食鹽、硫化鋅與鑽石的晶體結構。1915 年,他們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;當時勞倫斯年僅 25 歲,至今仍是諾貝爾科學獎項中最年輕的紀錄保持人。

布拉格父子為 1915 年諾貝爾獎所拍攝的照片。圖片來源:Innovation Intelligence International

布拉格父子的發現開啟了 X 光繞射的廣泛應用,除了呈現一般物質的晶體結構,也揭開生命的奧秘。1953 年,華生與克里克發表 DNA 的雙螺旋結構,所依據的就是羅莎琳.弗蘭克林 (Rosalind Franklin) 以 X 光繞射拍攝的「第51號相片」。巧合的是,當時華生與克里克是在卡文迪許實驗室 (Cavendish Laboratory) 進行研究,而實驗室主任正是小布拉格。

除了解開 DNA 的結構,到目前為止,至少有 28 項獲頒諾貝爾獎的研究,也都是使用 X 光繞射技術而獲得成果。布拉格父子對後世的貢獻與影響有多麼巨大,由此可見一斑,而他們父子一路走來的各種機緣巧合與協力合作,也成為一段史上佳話。

註:本文改寫自已發表於七月號的《工業材料》雜誌。

  • 標題圖片:布拉格父子。圖片來源:IUCr
Share on facebook
Share on twitter

更多文章

© 2021 張瑞棋