卡文迪什实验室的创建及其对化学的重要贡献
袁振东 邵会聪
（河南师范大学化学化工学院 河南新乡 453007）
摘要
通过对卡文迪什实验室成立百年诺贝尔奖获得情况的分析可知，物理学等学科的发展能为化学的发展开创新领域或为化学问题的解决提供新方法，如电子、质子和中子的发现使化学认识从宏观到微观，X射线晶体学为晶体结构研究提供了新手段。化学的发展不是独立的，而是根植于整个自然科学发展的土壤中。
关键词
卡文迪什实验室；化学贡献；诺贝尔奖
卡文迪什实验室（Cavendish Laboratory）是英国剑桥大学的物理实验室,在近现代物理学史上的地位是举世公认的。迄今为止，关于卡文迪什实验室的研究有很多，主要包括以下几类：卡文迪什实验室对近代物理的影响[1]、卡文迪什实验室几代主任的贡献[2]、卡文迪什实验室是诺贝尔奖的摇篮[3]及实验室创建的启示[4-6]等。事实上，卡文迪什实验室对化学发展的影响也是巨大的。那么，卡文迪什实验室创建背景和实验室宗旨是什么呢？卡文迪什实验室对近代化学的贡献有哪些？本文拟从卡文迪什实验室创建百年获得的诺贝尔奖进行分析，从中梳理和研究其对20世纪化学的影响。
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卡文迪什实验室对化学发展的间接贡献
3.1布拉格父子——用X射线对晶体结构的研究
20世纪初，在碳原子的四面体结构、原子核和核外电子壳构成原子学说的基础上，化学家们普遍认识到共价键是原子结合成分子的原因。在测定一批简单化合物如NaCl、KCl、 KBr、KI和闪锌矿等的晶体结构时，发现分离不出独立的分子。是否存在没有分子的物质，这个疑问一直困扰着化学家们。
1912年德国科学家劳厄(Max von Laue, 1879—1960)发现X射线晶体衍射现象，既证明了X射线的波动性，又验证了晶体空间点阵假说的正确性，开创了X射线衍射物理学的研究。劳厄的发现引起了布拉格父子——英国物理学家亨利·布拉格(William Henry Bragg, 1862—1942）和物理学家劳伦斯·布拉格(William Lawrence Bragg, 1890—1971)的关注。当时亨利·布拉格担任利兹大学的物理学教授，劳伦斯·布拉格毕业于剑桥大学并留在卡文迪什实验室工作。1912年，劳伦斯·布拉格在卡文迪什实验室反复研究，最终得出这是一种波的衍射效应，并且对闪锌矿(ZnS)的劳厄衍射图进行了标定，得出闪锌矿ZnS的晶体结构。劳伦斯·布拉格还用劳厄衍射图解出了碱金属卤化物的晶体结构，同时提出原子半径的概念，这是首次被X射线分析解出的晶体结构。1913年，亨利·布拉格设计制成X射线分光计，测定了金刚石的结构。此后，劳伦斯·布拉格还利用X射线分光计测定了荧石、黄铁矿和方解石等的晶体结构。1914年，2人联合写作《X射线与晶体结构》（X-rays and Crystal Structure）一书，在这本书中总结了他们在X射线晶体结构分析所做的工作[22]。
亨利·布拉格侧重于研究X射线的光谱，发现X射线光谱中含有连续谱段和特征谱线。晶体结构的测定主要依靠特征射线。同时，英国物理学家莫塞莱（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887—1915）利用这项技术去确定和比较各种元素的标识X射线辐射的波长，并证明元素是按照他们的核电荷数决定的，还确定了尚未被发现元素的空位。劳伦斯·布拉格侧重于研究X射线晶体结构的分析，以定量观测原子在晶体中的位置，在劳厄发现的基础上开创了X射线晶体学，打开了探索原子分子尺度的微观世界的大门，使化学家对晶体的认识从宏观到微观，提高到一个新的水平，具有划时代的意义。
3.2巴克拉——元素具有标识X射线谱的发现
1895年，德国物理学家伦琴（Wilhelm Rntgen，1845—1923）发现X射线，但X射线的概念并未建立。1902年，由于J. J. 汤姆逊的原子模型理论需要从散射现象中获得，英国物理学家巴克拉（Charles Glover Barkla，1877—1944）开始X射线散射的研究。尽管该研究主要在利物浦完成，但是J. J. 汤姆逊在其中发挥了重要的的指导和鼓舞作用。巴克拉第一个发现X射线的二次辐射具有2种成分，一种是X射线散射未经改变的部分，另一种是因物质而异的荧光辐射。荧光辐射与被散射物质的组成有确定的关系，即X射线具有标识特定元素的特性。1909年，巴克拉把X射线的2种成分分别称为K辐射和L辐射。每种元素都有特定的K线和L线，这些谱线的吸收率与发射元素的原子量呈近似的线性关系，因此X射线标识谱线是揭示原子结构的重要途径，对原子结构理论的建立起到极其重要的作用[15]82-83。
3.3G. P. 汤姆逊——发现晶体对电子衍射的现象
1924年，法国理论物理学家德布罗意（Louis Victor de Broglie，1892—1987）在《哲学杂志》发表了第一篇关于物质波的论文。1926年，英国科学促进会（British Association for the Advancement of Science）对德布罗意理论进行讨论。这2个事件引起英国物理学家G. P. 汤姆逊(George Paget Thomson,1892—1975)极大的兴趣。G. P. 汤姆逊采用电子束通过高压加速，穿透固体薄箔，衍射物质为多晶体，可直接产生衍射环。电子衍射实验证实了电子的波动性，在实验上确立了量子理论的基本思想——物质的波粒二象性，因而对物理化学的发展有着重大意义。电子衍射实验，不仅验证了德布罗意物质波理论，还为很多实验领域特别是在物理和化学领域提供了新的方法和手段[23]。
3.4M. F. 佩鲁兹、J. C. 肯德鲁——对血红蛋白分子结构的测定
蛋白质结构的测定曾困扰科学家们将近半个世纪。由于蛋白质分子量大、原子之间的结合方式和空间分布排列情况极其复杂，一般的化学分析方法和常规的仪器不能解决。1936年，奥地利裔英国生物化学家M. F. 佩鲁兹（Max Ferdinand Perutz，1914—2002)来到卡文迪什实验室，跟随英国科学家贝尔纳(J. D. Bernal,1901—1971)从事X射线研究蛋白质结构。1937年，劳伦斯·布拉格任卡文迪什实验室主任，给M. F. 佩鲁兹物质和工作上极大的支持和帮助。1947年，M. F. 佩鲁兹与英国生物化学家J. C. 肯德鲁（J. C. kendrew,1917—1997）合作，建立了医学研究所分子生物学研究所[24]。他们采用“重原子技术”，用某些重金属的单原子加进蛋白质分子中可使X射线衍射图发生明显清晰的改变。1960年，先后获得肌红蛋白和血清蛋白的X射线衍射图，并通过电子计算机运算确定出每个原子在空间的位置和结合方式，最后得到了球蛋白分子的精确的三维空间的结构图像(包括构型和构像)[25]。这个研究成果，对生物化学和现代分子生物学的兴起和发展起了巨大的推动作用。
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引用本文
袁振东, 邵会聪. 卡文迪什实验室的创建及其对化学的重要贡献[J]. 化学教育（中英文）, 2017, 38(14): 76-81
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