Lawrence Bragg

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科学中最重要的不是获得新事实,而是发现思考这些事实的新方法。

威廉·劳伦斯·布拉格爵士是一位澳大利亚出生的英国物理学家和X射线晶体学家,1912年发现了X射线衍射的布拉格定律,这对晶体结构的测定至关重要。他与父亲威廉·亨利·布拉格共同获得1915年诺贝尔物理学奖,"表彰他们在利用X射线分析晶体结构方面的杰出贡献";这是X射线晶体学发展中的重要一步。

布拉格在1941年被授予爵士头衔。截至2020年,他是有史以来最年轻的诺贝尔物理学奖得主,在25岁时获得该奖项。任何领域中最年轻的诺贝尔奖得主是马拉拉·尤萨夫扎伊,她在2014年以17岁的年龄获得了诺贝尔和平奖。当詹姆斯·D·沃森和弗朗西斯·克里克在1953年2月报告DNA结构发现时,布拉格是剑桥大学卡文迪什实验室的主任。

传记

早年时期

布拉格在南澳大利亚阿德莱德出生,父亲是威廉·亨利·布拉格爵士(1862-1942),阿德莱德大学数学物理学教授,母亲是格温多琳(1869-1929),南澳大利亚政府天文学家查尔斯·托德爵士的女儿。

他从小就对科学和数学表现出浓厚兴趣。上学不久后,他从三轮车上摔下来,摔断了手臂。他的父亲曾阅读过欧洲伦琴的实验报告,并进行自己的实验,他使用新发现的X射线和他的实验设备来检查断裂的手臂。这是澳大利亚第一次有记录的X射线手术应用。

1900年,布拉格是北阿德莱德女王学校的学生,随后在阿德莱德圣彼得学院学习了五年。他16岁时进入阿德莱德大学学习数学、化学和物理,于1908年毕业。同年,他的父亲接受了利兹大学的物理学卡文迪什讲座,全家搬到了英国。布拉格在1909年秋季进入剑桥大学三一学院,并获得了数学专业的大奖学金,尽管他是在患肺炎卧床时参加的考试。在数学方面初期表现优异后,他在后来的学习中转向物理课程,并在1911年以一级荣誉毕业。1914年,布拉格当选为三一学院研究员——剑桥学院的研究员需要提交和答辩论文。

布拉格的其他兴趣还包括贝壳收集;他的个人收藏包括来自约500个物种的标本,全部是他亲自从南澳大利亚采集的。他发现了一种新的乌贼物种——布拉格乌贼,由约瑟夫·维尔科以他的名字命名。

职业生涯

X射线和布拉格方程

X射线的成分是未知的,他的父亲辩称X射线是粒子流,其他人则认为它们是波。马克斯·冯·劳厄将X射线光束射向晶体,晶体前面放着感光板;在光束打击的位置旁边还有来自偏转射线的额外光点——因此X射线是波。1912年,作为剑桥大学的一年级研究生,W·L·布拉格在河边散步时产生了一个深刻的认识:由平行原子层组成的晶体不会衍射以大多数角度撞击其表面的X射线光束,因为与原子碰撞偏转的X射线会失去相位,相互抵消。然而,当X射线光束以这样的角度撞击时——在这个角度下,它在晶体中原子层之间经过的距离等于X射线的波长——那么被偏转的光线就会同相位,在附近的胶片上产生一个光点。从这一深刻认识出发,他写下了简单的布拉格方程,该方程将X射线的波长和晶体中原子层之间的距离与入射X射线光束反射的角度联系起来。

威廉·劳伦斯·布拉格大约40岁时的肖像。

他的父亲建造了一个装置,可以将晶体旋转到精确的角度,同时测量反射的能量。这使父子俩能够测量许多简单晶体中原子层之间的距离。他们根据晶体的重量和阿伏伽德罗常数计算了原子间距,这使他们能够测量X射线管中不同金属靶产生的X射线的波长。W·H·布拉格在会议和论文中报告了他们的结果,将信誉归于"他的儿子"(未名)的方程,但没有将其列为共同作者,这给他的儿子"造成了一些心痛",他从未克服过这一点。

声测工作

第一次世界大战早期,布拉格在皇家马炮兵团中担任莱斯特郡电池的少尉,获得委任。1915年,他被调往皇家工程兵部队,开发了一种方法来定位敌方炮兵发射声音的位置。1915年9月2日,他的哥哥在加里波利战役中阵亡。不久之后,他和他的父亲被授予诺贝尔物理学奖。他当时25岁,仍然是最年轻的科学奖获得者。声测的问题在于重型枪炮以过低的频率轰鸣,无法被麦克风检测到。经过数月令人沮丧的失败之后,他和他的团队设计了一个热线空气波探测器来解决这个问题。在这项工作中,他得到了查尔斯·高尔顿·达尔文、威廉·桑索姆·塔克、哈罗德·罗珀·罗宾逊和亨利·哈罗德·海明的帮助。英国声测非常有效;英国陆军的每个部队都有一个单位,当美国人参加战争时,他们采用了该系统。由于他在战争期间的工作,他被授予了军事十字勋章,并被任命为不列颠帝国勋位的官员。他还在1916年6月16日、1917年1月4日和1919年7月7日被提及在调查中。

热线声测在第二次世界大战期间被使用,期间他担任平民顾问。

战争期间,从1919年到1937年,他在曼彻斯特维多利亚大学担任物理学朗沃思教授。他在1937年成为泰丁顿国家物理实验室的主任。

第二次世界大战后,布拉格回到剑桥,将卡文迪什实验室分成研究小组。他相信"理想的研究单位是六到十二名科学家和几名助手"。

曼彻斯特大学 1919-1937

复员后,他回到剑桥进行晶体学研究。他们已经同意父亲研究有机晶体,儿子研究无机化合物。1919年,当长期的家庭朋友欧内斯特·卢瑟福迁移到剑桥时,劳伦斯·布拉格接替他担任曼彻斯特维多利亚大学物理学朗沃思教授。他招募了优秀的教师,包括前声测人员,但他认为自己的物理知识很薄弱,没有课堂教学经验。学生中许多是退伍军人,他们很挑剔且很吵闹。他深感震撼,但在家人的支持下,他重新振作起来并取得了成功。他和R·W·詹姆斯测量了反射X射线的绝对能量,验证了C·G·达尔文在战前推导的公式。现在他们能够确定反射靶中的电子数,并能够破译更复杂晶体(如硅酸盐)的结构。这仍然很困难:需要反复猜测和重试。在1920年代后期,他们通过在数据上使用傅立叶变换来简化分析。

1930年,他在考虑伦敦帝国学院的工作邀约时感到深感不安。他的家人围绕他,他恢复了平衡,他们在1931年在慕尼黑度过,在那里他进行了研究。

国家物理实验室 1937-1938

他在1937年成为泰丁顿国家物理实验室的主任,带来了一些合作者。然而,行政工作和委员会占用了他大量远离工作台的时间。

剑桥大学 1938-1954

卢瑟福去世,搜索委员会将劳伦斯·布拉格列为下一位卡文迪什教授,他们主持卡文迪什实验室。该实验室在原子物理学方面有悠久的历史,一些成员对晶体学家感到谨慎,布拉格通过公平的行政管理克服了这一点。他致力于改进衍射图案的解释。在小晶体学小组中有一位没有导师的难民研究生:马克斯·佩鲁茨。他向布拉格展示了来自血红蛋白的X射线衍射数据,这表明巨大生物分子的结构可能会被破译。布拉格任命佩鲁茨为他的研究助手,几个月内从洛克菲勒基金会获得了额外的支持。当佩鲁茨作为敌国人被拘禁,随后在军事研究中工作时,这项工作在第二次世界大战期间被暂停。

战争期间,卡文迪什提供了一门缩短的研究生课程,强调雷达所需的电子学。布拉格从事金属结构研究,并咨询了声纳和声测,他们仍然使用塔克麦克风。他在1941年成为劳伦斯爵士。他的父亲在1942年去世,期间布拉格担任了六个月的驻加拿大科学联络官。他组织了关于X射线分析的定期会议,该分析在军事研究中被广泛使用。

战争后,他领导了国际晶体学联盟的成立,并被选为其第一任主席。他将卡文迪什改组为单位,以反映他的信念,即"理想的研究单位是六到十二名科学家和几名助手,由一名或多名一流的仪器机械师和一个可以建造一般设备的车间协助"。行政人员现在有办公室、电话和秘书支持。该部门的范围扩大了,增加了一个新的射电天文学部门。他自己的工作集中在金属结构上,同时使用X射线和电子显微镜。1947年,他说服医学研究委员会(MRC)支持他描述为"英勇的尝试"来确定蛋白质结构作为分子生物学实验室,最初由佩鲁茨、约翰·肯德鲁和两名助手组成。布拉格与他们合作,到1960年,他们已经将肌红蛋白的结构解析到原子水平。在此之后,他的参与度降低;他们对血红蛋白的分析在每个分子中加入两个汞原子作为标记后变得更容易。医学研究委员会的第一个重大胜利是詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克解码DNA的结构。布拉格在1953年4月8日比利时的一次蛋白质Solvay会议上宣布了这一发现,但没有被新闻界报道。随后,他在1953年5月14日星期四在伦敦盖伊医院医学院进行了一次讲演,这导致了伦敦《新闻纪事报》在1953年5月15日星期五刊登了里奇·卡尔德的文章,标题为"你为什么是你。生命秘密更近了"。布拉格提名克里克、沃森和莫里斯·威尔金斯获得1962年诺贝尔生理学或医学奖;威尔金斯的份额承认了伦敦国王学院X射线晶体学家的贡献。其中有罗莎琳德·富兰克林,她的"照片51"显示DNA是双螺旋结构,而不是莱纳斯·鲍林提出的三螺旋。富兰克林在获奖前去世,而该奖项仅颁给活着的人。

皇家学会 1954-1971

1953年,布拉格夫妇搬进了伦敦皇家学会驻任教授的优雅公寓,这是他父亲去世时曾占据的职位。1934年和1961年,劳伦斯为皇家学会圣诞讲座做过演讲,自1938年以来,他一直是该学会的自然哲学教授,每年发表一次讲演。他父亲的继任者削弱了该学会,所以布拉格必须重建它。他通过招募企业赞助商来加强财政,传统的周五晚间讲座之后是为演讲者和精心挑选的可能赞助商举办的晚宴,每年超过120个赞助商。"1965年的其中两场讲座给了他特别的快乐。5月7日,曾是1951年至1955年皇家婚姻和离婚委员会成员的布拉格女士,以及全国婚姻指导委员会主席,就"婚姻和离婚中的变化模式"进行了讲座;11月15日,布拉格满怀骄傲地听取了他的工程师儿子斯蒂芬做出的关于"喷气发动机中的振荡和噪声"的讲演,他当时是劳斯莱斯公司的首席科学家,后来成为布鲁内尔大学的副校长。"他还推出了一项备受好评的学校讲座计划,其特点是该学会的标志性精心演示。他就"电气"做了其中三场讲座。

布拉格家族蓝色牌匾 利兹

他通过招募一个小团队在地下室的戴维-法拉第实验室以及相邻的房子中工作,继续在该学会进行研究,并通过他获得的赠款得到支持。一位来访者成功地在酶溶菌酶中插入了重金属;其晶体的结构在1965年由D·C·菲利普斯及其合作者在皇家学会解决,对9,040个反射的计算在l大学的数字计算机上进行

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