|失之交臂|X射線的發(fā)現(xiàn)|偏振性及發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)X射線|晶體衍射|晶體結(jié)構(gòu)|

|熱陰極管|X射線光譜|多晶體衍射|散射|X射線光電子譜|發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源|

產(chǎn)生X射線的方式：|X射線管|激光等離子體光源|同步輻射光源|X射線激光|X射線自由電子激光|

|X射線特性及應(yīng)用|與X射線相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)|

|誘發(fā)遺傳突變|揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)|測(cè)定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)|測(cè)定生物分子結(jié)構(gòu)|構(gòu)象分析法|有機(jī)金屬化學(xué)|硼化合物結(jié)構(gòu)|

|斷層照相|現(xiàn)代基因工程|顯微影像重組|晶體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算法|光合作用|離子傳輸酶|離子通道結(jié)構(gòu)|DNA復(fù)制|

X射線的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1896年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生。X射線的發(fā)現(xiàn)為諸多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種行之有效的研究手段。X射線的發(fā)現(xiàn)和研究，對(duì)20世紀(jì)以來(lái)的物理學(xué)以至整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大而深遠(yuǎn)的影響。

失之交臂

1836年，英國(guó)科學(xué)家邁克爾.法拉第（Michael Faraday，1791-1867）（左圖）發(fā)現(xiàn)，在稀薄氣體中放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種絢麗的輝光。后來(lái)，物理學(xué)家把這種輝光稱(chēng)為“陰極射線”，因?yàn)樗怯申帢O發(fā)出的。

1861年，英國(guó)科學(xué)家威廉.克魯克斯（William Crookes，1832-1919）（右圖）發(fā)現(xiàn)通電的陰極射線管在放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生亮光，于是就把它拍下來(lái)，可是顯影后發(fā)現(xiàn)整張干版上什么也沒(méi)照上，一片模糊。他以為干版舊了，又用新干版連續(xù)照了三次，依然如此?？唆斂怂沟膶?shí)驗(yàn)室非常簡(jiǎn)陋，他認(rèn)為是干版有毛病，退給了廠家。他也曾發(fā)現(xiàn)抽屜里保存在暗盒里的膠卷莫名其妙地感光報(bào)廢了，他找到膠片廠商，指斥其產(chǎn)品低劣。一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)與他失之交臂，直到倫琴發(fā)現(xiàn)了X光，克魯克斯才恍然大悟。

在倫琴發(fā)現(xiàn)X光的五年前，美國(guó)科學(xué)家古德斯柏德在實(shí)驗(yàn)室里偶然洗出了一張X射線的透視底片。但他歸因于照片的沖洗藥水或沖洗技術(shù)，便把這一“偶然”棄之于垃圾堆中。

發(fā)現(xiàn)X射線

1895年10月，德國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家倫琴（Wilhelm Konrad Rontgen，1854～1923）（左圖）也發(fā)現(xiàn)了干板底片“跑光”現(xiàn)象，他決心查個(gè)水落石出。倫琴吃住在實(shí)驗(yàn)室，一連做了7個(gè)星期的秘密實(shí)驗(yàn)。11月8日，倫琴用克魯克斯陰極射線管做實(shí)驗(yàn)，他用黑紙把管?chē)?yán)密地包起來(lái)，只留下一條窄縫。他發(fā)現(xiàn)電流通過(guò)時(shí)，兩米開(kāi)外一個(gè)涂了亞鉑氰化鋇的小屏發(fā)出明亮的熒光。如果用厚書(shū)、2-3厘米厚的木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間，仍能看到熒光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它們也是“透明的”，銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過(guò)，只要它們不太厚。使倫琴更為驚訝的是，當(dāng)他把手放在紙屏前時(shí)，紙屏上留下了手骨的陰影。倫琴意識(shí)到這可能是某種特殊的從來(lái)沒(méi)有觀察到的射線，它具有特別強(qiáng)的穿透力。倫琴用這種射線拍攝了他夫人的手的照片，顯示出手的骨骼結(jié)構(gòu)。（右圖）

1895年12月28日，倫琴向德國(guó)維爾茲堡物理和醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)遞交了第一篇研究通訊《一種新射線——初步報(bào)告》。倫琴在他的通訊中把這一新射線稱(chēng)為X射線（數(shù)學(xué)上經(jīng)常使用的未知數(shù)符號(hào)X），因?yàn)樗?dāng)時(shí)無(wú)法確定這一新射線的本質(zhì)。

倫琴的這一發(fā)現(xiàn)立即引起了強(qiáng)烈的反響：1896年1月4日柏林物理學(xué)會(huì)成立50周年紀(jì)念展覽會(huì)上展出X射線照片。1月5日維也納《新聞報(bào)》搶先作了報(bào)道；1月6日倫敦《每日紀(jì)事》向全世界發(fā)布消息，宣告發(fā)現(xiàn)X射線。這些宣傳，轟動(dòng)了當(dāng)時(shí)國(guó)際學(xué)術(shù)界，倫琴的論文在3個(gè)月之內(nèi)就印刷了5次，立即被譯成英、法、意、俄等國(guó)文字。X射線作為世紀(jì)之交的三大發(fā)現(xiàn)之一，引起了學(xué)術(shù)界極大的研究熱情。此后，倫琴發(fā)表了《論一種新型的射線》、《關(guān)于X射線的進(jìn)一步觀察》等一系列研究論文。1901年諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)，倫琴就由于發(fā)現(xiàn)X射線而獲得了這一年的物理學(xué)獎(jiǎng)[1]。

倫琴發(fā)現(xiàn)X射線使X射線研究迅速升溫，幾乎所有的歐洲實(shí)驗(yàn)室都立即用X射線管來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)和拍照。幾個(gè)星期之后，X射線已開(kāi)始被醫(yī)學(xué)家利用。醫(yī)生應(yīng)用X射線準(zhǔn)確地顯示了人體的骨骼，這是物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)中最迅速的應(yīng)用。隨后，創(chuàng)立了用X射線檢查食道、腸道和胃的方法，受檢查者吞服一種造影劑（如硫酸鋇），再經(jīng)X射線照射，便可顯示出病變部位的情景。以后又發(fā)明了用于檢查人體內(nèi)臟其他一些部位的造影劑。X射線診斷儀在相當(dāng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)一直作為醫(yī)院中最重要的診斷儀器。

為紀(jì)念倫琴對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)，后人也稱(chēng)X射線為倫琴射線，并以倫琴的名字作為X射線等的照射量單位。

偏振性及標(biāo)識(shí)X射線

自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，許多物理學(xué)家都在積極地研究和探索。

1897年，法國(guó)物理學(xué)家塞格納克（G.M.M.Sagnac，1869-1926）發(fā)現(xiàn)X射線還有一種效應(yīng)引人注目，當(dāng)它照射到物質(zhì)上時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次輻射，這種二次輻射是漫反射，比入射的X射線更容易吸收。這一發(fā)現(xiàn)為以后研究X射線的性質(zhì)作了準(zhǔn)備。

1906年英國(guó)物理學(xué)家巴克拉（Charles Glover Barkla，1877-1944）（左圖）在塞格納克的基礎(chǔ)上做實(shí)驗(yàn)，他將X射線管發(fā)出的X射線以45°角輻照在散射物A上（右圖），從A發(fā)出的二次輻射又以45°角投向散射物B，再?gòu)拇怪庇诙屋椛涞母鱾€(gè)方向觀察三次輻射，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度有很大變化，沿著既垂直于入射射線又垂直于二次輻射的方向強(qiáng)度最弱。由此巴克拉得出了X射線具有偏振性的結(jié)論。根據(jù)X射線的偏振性，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到X射線和普通光是類(lèi)似的。

偏振性的發(fā)現(xiàn)對(duì)認(rèn)識(shí)X射線的本質(zhì)雖然前進(jìn)了一大步，但還不足以判定X射線是波還是粒子，因?yàn)榱Ｗ右材芙忉屵@一現(xiàn)象，只要假設(shè)這種粒子具有旋轉(zhuǎn)性就可以了。1907-1908年，一場(chǎng)關(guān)于X射線是波還是粒子的爭(zhēng)論在巴克拉和英國(guó)物理學(xué)家亨利.布拉格（William Henry Bragg，1862-l942）（右圖）之間展開(kāi)。亨利.布拉格根據(jù)γ射線能使原子電離，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中不受偏轉(zhuǎn)以及穿透力極強(qiáng)等事實(shí)，主張γ射線是由中性偶——電子和正電荷組成。他認(rèn)為X射線也一樣，并由此解釋了已知的各種X射線現(xiàn)象。巴克拉堅(jiān)持X射線的波動(dòng)性。兩人在科學(xué)期刊上展開(kāi)了辯論，雙方都有一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)支持。這場(chǎng)爭(zhēng)論雖然沒(méi)有得出明確結(jié)論，但還是給科學(xué)界留下了深刻印象。巴克拉關(guān)于X射線的偏振實(shí)驗(yàn)和波動(dòng)性觀點(diǎn)可以說(shuō)是后來(lái)勞厄發(fā)現(xiàn)X射線衍射的前奏。

巴克拉最重要的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了元素發(fā)出的X射線輻射都具有和該元素有關(guān)的特征譜線（也叫標(biāo)識(shí)譜線）。巴克拉在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不管元素已化合成什么化合物，它們總是發(fā)射一種硬度的X射線，當(dāng)原子量增大時(shí)，標(biāo)識(shí)X射線的穿透本領(lǐng)會(huì)隨著增大。這說(shuō)明X射線具有標(biāo)識(shí)特定元素的特性。

1909年，巴克拉和他的學(xué)生沙德勒（C.A.Sadler）在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，標(biāo)識(shí)譜線其實(shí)并不均勻，它可以再分為硬的成分和軟的成分。他們把硬的成分稱(chēng)為K線，把軟的成分稱(chēng)為L(zhǎng)線。每種元素都有其特定的K線和L線。這些譜線的吸收率與發(fā)射元素的原子量之間近似有線性關(guān)系，卻跟普通光譜不同，不呈周期性。X射線標(biāo)識(shí)譜線對(duì)建立原子結(jié)構(gòu)理論極為重要。

巴克拉由于發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)X射線在1917年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[4]。

晶體X射線衍射

當(dāng)時(shí)，X射線究竟是微小的質(zhì)點(diǎn)束，還是像光一樣的波狀輻射，一直懸而未決。有一種鑒定方法就是看X射線能否借助含有一系列細(xì)線的衍射光柵而衍射（即改變射線方向）。要想得到適當(dāng)?shù)难苌?，這些細(xì)線的間距必須大致與輻射線的波長(zhǎng)大小相等。當(dāng)時(shí)最密的人工衍射光柵，適用于一般光線。由X射線的穿透力得知，若X射線像波一樣，則其波長(zhǎng)要短得多——可能只有可見(jiàn)光波長(zhǎng)的千分之一。制作如此精細(xì)的光柵完全是不可能的。

德國(guó)物理學(xué)家勞厄（Max von Laue,1879-1960）（左圖）想到，如果人工做不出這樣的光柵，自然界中的晶體也許能行。晶體是一種幾何形狀整齊的固體，而在固體平面之間有特定的角度，并且有特定的對(duì)稱(chēng)性。這種規(guī)律是構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)的原子有次序地排列的結(jié)果。一層原子和另一層原子之間的距離大約是X射線波長(zhǎng)的大小。如果這樣，晶體應(yīng)能使X射線衍射。

勞厄的老板，物理學(xué)家阿諾德.索末菲（Arnold Sommerfeld,1868-1951）（左圖）認(rèn)為這一想法荒誕不經(jīng)，勸說(shuō)他不要在這上面浪費(fèi)時(shí)間。但到了1912年，兩個(gè)學(xué)生證實(shí)了勞厄的預(yù)言。他們把一束Ｘ光射向硫化鋅晶體，在感光版上捕捉到了散射現(xiàn)象，即后來(lái)所稱(chēng)的勞厄相片。感光版沖洗出來(lái)之后，他們發(fā)現(xiàn)了圓形排列的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)—衍射圖（右圖）。勞厄證明了Ｘ光具有波的性質(zhì)。《自然》雜志把這一發(fā)現(xiàn)稱(chēng)為“我們時(shí)代最偉大、意義最深遠(yuǎn)的發(fā)現(xiàn)”。勞厄證明了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，發(fā)表了《X射線的干涉現(xiàn)象》一文。兩年后，也就是1914年，這一發(fā)現(xiàn)為勞厄贏得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[2]。 

勞厄發(fā)現(xiàn)X射線衍射有兩個(gè)重大意義。它表明了Ｘ射線是一種波，對(duì)X射線的認(rèn)識(shí)邁出了關(guān)鍵的一步, 這樣科學(xué)家就可以確定它們的波長(zhǎng)，并制作儀器對(duì)不同的波長(zhǎng)加以分辨（與可見(jiàn)光一樣，Ｘ射線具有不同的波長(zhǎng)）。另一方面，這一發(fā)現(xiàn)在第二個(gè)領(lǐng)域結(jié)出了更為豐碩的成果，第一次對(duì)晶體的空間點(diǎn)陣假說(shuō)作出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使晶體物理學(xué)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。一旦獲得了波長(zhǎng)一定的光束，研究人員就能利用Ｘ光來(lái)研究晶體光柵的空間排列：Ｘ射線晶體學(xué)成為在原子水平研究三維物質(zhì)結(jié)構(gòu)的首枚探測(cè)器。這一發(fā)現(xiàn)繼佩蘭（Perrin）的布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)之后，又一次向科學(xué)界提供證據(jù)，證明原子的真實(shí)性。此后，X射線學(xué)在理論和實(shí)驗(yàn)方法上飛速發(fā)展，形成了一門(mén)內(nèi)容極其豐富、應(yīng)用極其廣泛的綜合學(xué)科。

晶體結(jié)構(gòu)分析

勞厄的文章發(fā)表不久，引起了英國(guó)布拉格父子的關(guān)注，當(dāng)時(shí)老布拉格，即亨利.布拉格（William Henry Bragg1862-1942）（右圖）已是利茲大學(xué)的物理學(xué)教授，而小布拉格，即勞倫斯·布拉格（WilliamLawrence Bragg，1890-1971）（左圖）剛從劍橋大學(xué)畢業(yè)，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作。由于都是X射線微粒論者，兩人都試圖用X射線的微粒理論來(lái)解釋勞厄的照片，但他們的嘗試未能取得成功。小布拉格經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，成功地解釋了勞厄的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。他以更簡(jiǎn)潔的方式，清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成，并提出著名的布拉格公式：2dsinθ=nλ。這一結(jié)果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性，更重要的是證明了能夠用X射線來(lái)獲取關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息。

1912年11月，小布位格以《晶體對(duì)短波長(zhǎng)電磁波衍射》為題向劍橋哲學(xué)學(xué)會(huì)報(bào)告了上述研究結(jié)果。老布拉格于1913年1月設(shè)計(jì)出第一臺(tái)X射線光譜儀（右圖），并利用這臺(tái)儀器，發(fā)現(xiàn)了特征X射線。

小布拉格在用特征X射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)之后，與其父親合作，成功地測(cè)定出了金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，并用勞厄法進(jìn)行了驗(yàn)證。金剛石結(jié)構(gòu)的測(cè)定完美地說(shuō)明了化學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為的碳原子的四個(gè)鍵按正四面體形狀排列的結(jié)論。這對(duì)尚處于新生階段的X射線晶體學(xué)來(lái)說(shuō)非常重要，充分顯示了X射線衍射用于分析晶體結(jié)構(gòu)的有效性，使其開(kāi)始為物理學(xué)家和化學(xué)家普遍接受。

布拉格父子因在用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面所作出的杰出貢獻(xiàn)分享了1915年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[3]。

熱陰極管

X光管分為充氣管和真空管兩類(lèi)。1895年 倫琴發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)使用的是克魯克斯發(fā)明的陰極射線管——即最早的充氣X射線管，但因其功率小、壽命短、控制困難，應(yīng)用不便。當(dāng)時(shí)為了得到清晰的X光照片，甚至需要曝光一個(gè)小時(shí)以上。

1912-1913年，美國(guó)科學(xué)家威廉.考林杰（William David Coolidge, 1873-1975）（左圖）發(fā)明了熱陰極管——即真空X射線管（右圖）。它可提供可靠的電子束，改善線質(zhì)和穿透性，避免了含氣管的不穩(wěn)定性。其陰極為直熱式螺旋鎢絲，陽(yáng)極為銅塊端面鑲嵌的金屬靶，管內(nèi)真空度不低于10^-4帕。陰極發(fā)射出的電子經(jīng)數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)伏高壓加速后撞擊靶面產(chǎn)生X射線，大大縮短了需要曝光的時(shí)間，為促進(jìn)X射線的研究起了很大作用，還為發(fā)現(xiàn)肺病出了很大貢獻(xiàn)。

熱陰極管以后又經(jīng)過(guò)許多改進(jìn)，至今仍在應(yīng)用。

X射線光譜

1914年，英國(guó)物理學(xué)家莫塞萊（Henry Moseley,1887-1915）（左圖）用布拉格X射線光譜儀研究不同元素的X射線，取得了重大成果。莫塞萊發(fā)現(xiàn)，以不同元素作為產(chǎn)生X射線的靶時(shí)，所產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)不同。他把各種元素按所產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)排列后，發(fā)現(xiàn)其次序與元素周期表中的次序一致，他稱(chēng)這個(gè)次序?yàn)樵有驍?shù)，認(rèn)為元素性質(zhì)是其原子序數(shù)的周期函數(shù)。原子序數(shù)把各種元素基本上按原子量遞增的順序排列成一個(gè)系列，可是卻比按原子量遞增排列得到更合理的順序。關(guān)于原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)被稱(chēng)為莫塞萊定律。

瑞典物理學(xué)家卡爾.西格班（Karl Manne Georg Siegbahn，1886-1978）（右圖）繼承和發(fā)展了莫塞萊的研究，他改進(jìn)了真空泵的設(shè)計(jì)，他設(shè)計(jì)的X射線管，可使曝光時(shí)間大大縮短，從而使他的測(cè)量精度大為提高。因此他能夠?qū)射線譜系作出精確的分析。他測(cè)量波長(zhǎng)的精確度比莫塞萊提高了1000倍。西格班的研究支持了玻爾等人把原子中電子按殼層排列的觀點(diǎn)。他和他的同事還從各種元素的標(biāo)識(shí)X輻射整理出系統(tǒng)的規(guī)律，對(duì)原子的電子殼層的能量和輻射條件建立了完整的知識(shí)，同時(shí)也為與之有關(guān)的現(xiàn)象作出量子理論解釋建立了堅(jiān)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。西格班在他的《倫琴射線譜學(xué)》一書(shū)中對(duì)這方面的成果作了全面總結(jié)，成為一部經(jīng)典的科學(xué)著作。西格班獲得了1924年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為繼巴克拉之后，又一次因X射線學(xué)的貢獻(xiàn)而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的物理學(xué)家[5]。西格班的X射線譜儀測(cè)量精度非常之高，以至30年后還在許多方面得到應(yīng)用。

有意思的是：卡爾.西格班的兒子凱.西格班在57年后的1981年，由于在電子能譜學(xué)方面的開(kāi)創(chuàng)性工作獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半。

X射線光電子譜

凱.西格班（Kai Manne Borje Siegbahn，1918- ）（左圖）一直從事核能譜的研究。20世紀(jì)50年代，他和同事們用雙聚焦磁式能譜儀研究放射性能譜。當(dāng)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)榛匦铀倨鞯脑虿坏貌煌Ｏ聛?lái)等待放射性樣品。能否用一種更容易掌握的代用品來(lái)激發(fā)放射性輻射呢？凱.西格班設(shè)想用X射線管使材料發(fā)出光電子，然后再盡可能精確地測(cè)量其結(jié)合能。這種辦法曾有人作過(guò)嘗試，但靈敏度不高。凱.西格班將他在核能譜方面的經(jīng)驗(yàn)用于外光電效應(yīng)，并將高分辨率儀器用于實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)領(lǐng)域獲得了重大改進(jìn)。他們將新研制的測(cè)量X射線光電子能量的雙聚焦高分辨率電子能譜儀用于研究電子、光子或其它粒子轟擊原子體系后發(fā)射出來(lái)的電子，系統(tǒng)地研究了各種元素的電子結(jié)合能。后來(lái)他們又將此項(xiàng)技術(shù)用于化學(xué)分析的電子能譜。凱.西格班開(kāi)創(chuàng)了一種新的分析方法—X射線光電子能譜學(xué)XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy），或化學(xué)分析電子能譜學(xué)ESCA（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。X射線光電子能譜學(xué)是化學(xué)上研究電子結(jié)構(gòu)和高分子結(jié)構(gòu)、鏈結(jié)構(gòu)分析的有力工具，西格班開(kāi)創(chuàng)的光電子能譜學(xué)為探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了非常精確的方法。

由于凱.西格班在電子能譜學(xué)方面的開(kāi)創(chuàng)性工作，他獲得了1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半[18]。

多晶體衍射

1916年，美籍荷蘭物理學(xué)家、化學(xué)家德拜（Peter Joseph Wilhelm Debye，1884-1966）（左圖）和瑞士物理學(xué)家謝樂(lè)（Paul Scherrer，1890-1969）發(fā)展了用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)的方法，采用粉末狀的晶體代替較難制備的大塊晶體。粉末狀晶體樣品經(jīng)X射線照射后在照相底片上可得到同心圓環(huán)的衍射圖樣（德拜-謝樂(lè)環(huán)）（右圖）,可用于鑒定樣品的成分，測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)。因當(dāng)時(shí)正值第一次世界大戰(zhàn)，信息交流受阻，1917年，美國(guó)科學(xué)家Hull也獨(dú)立提出了這一方法。德拜因利用偶極矩、X射線和電子衍射法測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的成就而獲1936年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[7]。

散射

美國(guó)物理學(xué)家康普頓（Arthur Holy Compton，1892～1962）在大學(xué)生時(shí)期就跟隨其兄卡爾·康普頓開(kāi)始X射線的研究。后來(lái)他到了卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，主要從事g射線的實(shí)驗(yàn)研究。他用精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)精確測(cè)定了γ射線的波長(zhǎng)，并確定γ射線在散射后波長(zhǎng)會(huì)變得更長(zhǎng)。但他沒(méi)能從理論上解釋這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)。他到了美國(guó)華盛頓大學(xué)后，用X射線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)用γ射線做的散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)，晶體反射的單色X射線也能激發(fā)同樣的現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)這種X輻射具有偏振性。經(jīng)過(guò)多次精細(xì)實(shí)驗(yàn)，康普頓得到了明確的結(jié)論，散射的波長(zhǎng)比入射的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，波長(zhǎng)的改變量只決定于散射角。（左圖為康普頓在X射線光譜儀前工作）

1923年5月，康普頓用愛(ài)因斯坦的光子概念成功地解釋了x 射線通過(guò)石墨時(shí)所發(fā)生的散射。他假設(shè)光子與電子在碰撞過(guò)程中既要遵守能量守恒又要遵守動(dòng)量守恒，他按照這個(gè)思路列出方程后求出了散射前后的波長(zhǎng)差，結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全符合，這樣就證實(shí)了他的假設(shè)。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為康普頓效應(yīng)。

康普頓進(jìn)一步證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光子理論，揭示出光的二象性本質(zhì)，從而導(dǎo)致了近代量子物理學(xué)的誕生和發(fā)展；另一方面康普頓效應(yīng)也闡明了電磁輻射與物質(zhì)相互作用的基本規(guī)律，從理論和實(shí)驗(yàn)上都具有極其深遠(yuǎn)的意義。康普頓于1927年與英國(guó)的物理學(xué)家威爾遜同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[6]。

宇宙X射線源

所有的恒星包括太陽(yáng)在內(nèi)，都在不斷地發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，不僅有可見(jiàn)光而且還有人類(lèi)肉眼看不見(jiàn)的X射線、伽瑪射線等。由于X射線很容易被地球的大氣層吸收，要探測(cè)來(lái)自宇宙空間的X射線，就必須把探測(cè)器放入太空中。

二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)繳獲的德國(guó)V2火箭為美國(guó)研究宇宙X射線提供了可能。1949年由美國(guó)海軍天文臺(tái)弗里德曼（Herbert Friedman，1916-2000）（右圖）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組把蓋革計(jì)數(shù)器放在V2火箭上發(fā)射升空，首次發(fā)現(xiàn)了來(lái)自太陽(yáng)的X射線。但這樣的儀器很難探測(cè)到來(lái)自更遠(yuǎn)恒星的X射線。

美國(guó)科學(xué)家賈科尼（Riccardo Giacconi, 1931-）（左圖）1960年提出了建造X射線望遠(yuǎn)鏡的可能性。1962年賈科尼的研究組發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)太陽(yáng)系外的X射線源，命名為天蝎座X-1。不久又發(fā)現(xiàn)了另外兩個(gè)X射線源，其中一個(gè)被證實(shí)為是蟹狀星云。蟹狀星云輻射的X射線能量比太陽(yáng)高出100億倍。

由于火箭觀測(cè)時(shí)間短，氣球觀測(cè)受升空高度限制只能測(cè)到能量較高的X射線，賈科尼在1963年建議用人造衛(wèi)星進(jìn)行X射線的巡天觀測(cè)。1970年10月12日，賈科尼等設(shè)計(jì)的這樣一顆人造衛(wèi)星UHURU號(hào)升空（右圖）。之后，又有9顆新的X射線人造衛(wèi)星升空。到1972年，發(fā)現(xiàn)的X射線源迅速增加到339個(gè)，賈科尼等發(fā)表了大量的研究成果。

1978年，賈科尼領(lǐng)導(dǎo)研制的高能天體物理觀測(cè)臺(tái)2號(hào)HEAO-2（High Energy Astronomy Observatory-2）發(fā)射升空，后更名為"愛(ài)因斯坦X射線觀測(cè)臺(tái)"（Einstein Gallery）（左圖），這是世界上第一個(gè)宇宙X射線探測(cè)器。它攜帶有角分辨率為2角秒的X射線望遠(yuǎn)鏡，首次提供了精確的宇宙X射線圖像，第一個(gè)探測(cè)到了太陽(yáng)系以外的X射線源，第一個(gè)證實(shí)了宇宙中存在X射線輻射背景，第一個(gè)探測(cè)到了可能來(lái)自黑洞的X射線。在此基礎(chǔ)上科學(xué)家獲得了大量新發(fā)現(xiàn)。
　　1976年，賈科尼設(shè)計(jì)了一臺(tái)新的X射線望遠(yuǎn)鏡。由于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題它直到1999年才發(fā)射升空，升空后更名為"錢(qián)德拉X射線觀測(cè)臺(tái)"（Chandra X-ray Observatory）。它功能強(qiáng)大總耗資15億美元，對(duì)探測(cè)星系、類(lèi)星體和恒星以及尋找黑洞、暗物質(zhì)的蹤跡有著非常重要的意義。

賈科尼在“發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源”方面取得的成就導(dǎo)致了X射線天文學(xué)的誕生，在光學(xué)波段之外又開(kāi)辟了一個(gè)認(rèn)識(shí)宇宙的窗口，使人們看到了一個(gè)布滿(mǎn)X射線源的天空。賈科尼與在宇宙中微子探測(cè)方面作出杰出貢獻(xiàn)的美國(guó)科學(xué)家戴維斯（Raymond Davis Jr., 1914-）以及日本科學(xué)家小柴昌?。∕asatoshi Koshiba, 1926-）共同分享了2002年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[23]。

產(chǎn)生X射線的方式主要有以下四種：X射線管、激光等離子體、同步輻射和X射線激光。

X射線管

X射線管是利用高速電子撞擊金屬靶面產(chǎn)生X射線的電子器件，分為充氣管和真空管兩類(lèi)。1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)使用的克魯克斯管就是最早的充氣X射線管。

1913年考林杰發(fā)明的真空X射線管的最大特點(diǎn)是鎢燈絲加熱到白熾狀態(tài)以提供管電流所需的電子，調(diào)節(jié)燈絲的加熱溫度就可以控制管電流，可提高影像質(zhì)量。

1913年發(fā)明了在陽(yáng)極靶面與陰極之間裝有控制柵極的X射線管，在控制柵上施加脈沖調(diào)制，以控制X射線的輸出和調(diào)整定時(shí)重復(fù)曝光，部分地消除了散射線，提高了影像的質(zhì)量。

1914年制成了鎢酸鎘熒光屏，開(kāi)始了X射線透視的應(yīng)用。

1923年發(fā)明了雙焦點(diǎn)X射線管，X射線管的功率可達(dá)幾千瓦，矩形焦點(diǎn)的邊長(zhǎng)僅為幾毫米，X射線影像質(zhì)量大大提高。同時(shí)，造影劑的逐漸應(yīng)用，使X射線的診斷范圍也不斷擴(kuò)大。X射線管還廣泛用于零件的無(wú)損檢測(cè)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、光譜分析等方面。

2002年，美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)的華裔科學(xué)家盧健平等人為X射線源找到了新的方法。這種方法用碳納米管制成“場(chǎng)發(fā)射陰極射線管”來(lái)發(fā)射高能電子，無(wú)須利用高溫產(chǎn)生高能電子束，便能產(chǎn)生X射線。在室溫條件下，一薄層碳納米管就能產(chǎn)生高能電子束，一接通電源即可發(fā)射X射線，沒(méi)有金屬絲的預(yù)熱過(guò)程。

激光等離子體光源

激光等離子體光屬于價(jià)格便宜、易于操作的光源，可以用于X射線顯微術(shù)，象電子掃描顯微鏡一樣作為實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)分析工具。其基本原理是：當(dāng)高強(qiáng)度(10¹⁴～10¹⁵W/cm²)激光脈沖聚焦打在固體靶上時(shí)，靶的表面迅速離化形成高溫高密度的等離子體，進(jìn)而發(fā)射X射線。它是一種具有足夠輻射強(qiáng)度的獨(dú)立點(diǎn)光源，所用泵浦激光器主要有Nd:YAG，釹玻璃和KrF等。X射線發(fā)射與靶材料有關(guān)，由于濺射殘屑可能損傷和污染光學(xué)系統(tǒng)和樣品，若用氣體靶代替固體靶可以避免殘屑問(wèn)題。因此，需要進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)有效的、高重復(fù)頻率工作的、不產(chǎn)生殘屑的激光等離子體X射線光源。

同步輻射光源

速度接近光速的帶電粒子在磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)射連續(xù)譜的電磁波（左圖）。1947年人類(lèi)在電子同步加速器上首次觀測(cè)到這種電磁波，并稱(chēng)其為同步輻射，后來(lái)又稱(chēng)為同步輻射光。同步輻射最初是作為電子同步加速器的有害物而加以研究的，后來(lái)成為一種從紅外到硬X射線范圍內(nèi)有著廣泛應(yīng)用的高性能光源。同步輻射光源是開(kāi)展凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子技術(shù)等多學(xué)科交叉前沿研究的重要平臺(tái)。（右圖為擁有近70條光束線的美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室同步輻射光源）

同步輻射光源的主體是電子儲(chǔ)存環(huán)，30多年來(lái)已經(jīng)歷了三代的發(fā)展。第一代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)是為高能物理實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，只是“寄生”地利用從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光，故又稱(chēng)“兼用光源”；第二代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)則是專(zhuān)門(mén)為使用同步輻射光而設(shè)計(jì)的，主要從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射光；第三代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)對(duì)電子束發(fā)射度和大量使用插入件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電子束發(fā)射度比第二代小得多，同步輻射光的亮度大大提高，如加入波蕩器等插入件可引出高亮度、部分相干的準(zhǔn)單色光。

同步輻射光具有頻譜寬且連續(xù)可調(diào)（具有從遠(yuǎn)紅外、可見(jiàn)光、紫外直到X射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜）、亮度高（第三代同步輻射光源的X射線亮度是X光機(jī)的上億倍）、高準(zhǔn)直度、高偏振性、高純凈性、窄脈沖、精確度高以及高穩(wěn)定性、高通量、微束徑、準(zhǔn)相干等獨(dú)特的性能。（左圖為設(shè)計(jì)有30個(gè)光引出口的英國(guó)DIAMOND同步輻射光源）

世界上有近40臺(tái)同步輻射光源正在運(yùn)行，還有幾十臺(tái)在設(shè)計(jì)、建造中。我國(guó)的北京同步輻射裝置（BSRF）、合肥中國(guó)科技大學(xué)同步輻射裝置（NSRL）和臺(tái)灣新竹的同步輻射裝置（SRRC）分別屬于第一、第二和第三代光源，正在建造的上海光源（SSRF）屬第三代光源。

（上左：BSRF平面圖；上右：NSRL束線分布圖）

（上左：SSRF平面圖；上右：SRRC平面圖）

左圖為建在BSRF的我國(guó)大陸第一條中能X射線雙晶單色器光束線，該光束線用于中等能區(qū)X射線范圍（1.2keV-6.0keV）的計(jì)量學(xué)、探測(cè)器標(biāo)定、光學(xué)元件性能測(cè)試及吸收譜學(xué)等方面的研究，具有重要的科學(xué)意義。

右圖為北京同步輻射裝置4W1A光束線形貌學(xué)實(shí)驗(yàn)站上能量為24keV的X射線拍攝的肝樣品圖像。

X射線激光

正因?yàn)閄射線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，科學(xué)家著重研究增加X(jué)射線的強(qiáng)度。世界上第一個(gè)紅寶石激光1960年問(wèn)世以來(lái)，在X射線波段實(shí)現(xiàn)激光輻射就一直是激光研究的重要目標(biāo)。Ｘ射線激光除了具有普通激光方向性強(qiáng)、發(fā)散度小的特點(diǎn)外，其單光子能量比傳統(tǒng)的光學(xué)激光高上千倍，具有極強(qiáng)的穿透力。

1981年，美國(guó)在地下核試驗(yàn)中進(jìn)行核泵浦X射線激光實(shí)驗(yàn)獲得成功，極大地推動(dòng)了開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室X射線激光的研究。水窗的飽和X射線激光是目前唯一能夠?qū)ι锘铙w細(xì)胞進(jìn)行無(wú)損傷三維全息成像和顯微成像的光源，借助于它有可能解開(kāi)生命之謎。美、英、日、法、德、俄羅斯和中國(guó)等國(guó)的許多著名實(shí)驗(yàn)室都相繼作了部署。1994年，美國(guó)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室用世界上功率最大的激光器的3000焦激光能量泵浦釔靶，產(chǎn)生了波長(zhǎng)15.5納米的飽和X射線激光。1996年底，中國(guó)旅英青年學(xué)者張杰領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究組，在英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室利用多路激光器轟擊釤靶，在泵浦能量?jī)H為150焦的情況下，成功地獲得了波長(zhǎng)為7.3納米的X射線激光飽和增益輸出，為在“水窗”波段實(shí)現(xiàn)增益飽和輸出的X射線激光帶來(lái)了巨大的希望。

X射線自由電子激光

自由電子激光是一種以相對(duì)論優(yōu)質(zhì)電子束為工作媒介、在周期磁場(chǎng)中以受激輻射方式放大短波電磁輻射的強(qiáng)相干光源（其“周期磁場(chǎng)”由波蕩器產(chǎn)生），具有波長(zhǎng)范圍大、波長(zhǎng)易調(diào)節(jié)、亮度高、相干性好、脈沖可超短等突出優(yōu)點(diǎn)，尤其是高增益短波長(zhǎng)自由電子激光，普遍被看好是下一代光源的代表，具有巨大的發(fā)展?jié)摿椭卮蟮膽?yīng)用前景。（左圖為德國(guó)DESY自由電子激光器的波蕩器）

目前，全世界有20多個(gè)能產(chǎn)生從紅外線到紫外線各種波長(zhǎng)激光的自由電子激光器已經(jīng)投入使用或正在研制中?，F(xiàn)在科學(xué)家正試圖讓其波長(zhǎng)范圍延伸到Ｘ射線。X射線自由電子激光能產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)的，極高強(qiáng)度的飛秒相干光，可為各種體系的高空間分辨和時(shí)間分辨的動(dòng)力學(xué)研究提供強(qiáng)有力的手段，將給物理、化學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的前沿研究帶來(lái)突破，為人類(lèi)對(duì)自然的認(rèn)識(shí)打開(kāi)全新的視野。利用它可對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行無(wú)損傷立體成像，直接觀察細(xì)胞中的生命過(guò)程，為揭開(kāi)生命之謎提供重要的工具。利用它進(jìn)行顯微和光刻，可以大幅度地提高分辨率和精度。同時(shí)，也將對(duì)軍事與工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。發(fā)展X射線自由電子激光具有前瞻性及戰(zhàn)略意義。

世界各科技強(qiáng)國(guó)均將X射線自由電子激光的研究列入了未來(lái)科技發(fā)展計(jì)劃的重要內(nèi)容，正在加緊研制的Ｘ射線自由電子激光器的能量將是現(xiàn)有設(shè)備的100億倍。美國(guó)斯坦福直線加速器中心將于2009年率先推出“直線加速器相干光源（LCLS）”（右圖），這個(gè)項(xiàng)目預(yù)算為3.79億美元。位于漢堡的德國(guó)電子同步回旋加速器研究中心已研制出先進(jìn)的紫外線自由電子激光器，并計(jì)劃到2012年時(shí)推出歐洲的X射線自由電子激光器，預(yù)計(jì)成本為9．08億歐元。日本也在開(kāi)展類(lèi)似的項(xiàng)目。如何用盡可能小的輸入能量在盡可能短的波長(zhǎng)上產(chǎn)生高增益Ｘ射線激光是當(dāng)今各科技大國(guó)在該領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的主要焦點(diǎn)。

楊振寧先生從1997年5月開(kāi)始先后8次給我國(guó)有關(guān)部門(mén)和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)寫(xiě)信，呼吁中國(guó)盡快開(kāi)展X射線自由電子激光的預(yù)研究，我國(guó)政府和科學(xué)界對(duì)此給予了高度關(guān)注。

高能所曾在1994年研制成功中紅外波段的北京自由電子激光裝置，在亞洲第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了飽和出光（左圖為北京自由電子激光裝置）。自2000年起，在中國(guó)科學(xué)院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委的先后支持下，上海應(yīng)用物理所、高能所和中國(guó)科技大學(xué)以及北京大學(xué)已聯(lián)合開(kāi)展深紫外自由電子激光的前期和預(yù)制研究工作。這些部署對(duì)于發(fā)展X射線自由電子激光仍過(guò)于薄弱，我國(guó)要跨越發(fā)展到X射線自由電子激光，還存在很多技術(shù)空白和技術(shù)難點(diǎn)，為了能在2015年左右建成我國(guó)的X射線自由電子激光裝置，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究及裝置建設(shè)的方案論證工作正在進(jìn)行中，裝置的建設(shè)即將正式啟動(dòng)。

X射線的特性及應(yīng)用

科學(xué)家們逐漸揭示了X射線的本質(zhì)，作為一種波長(zhǎng)極短，能量很大的電磁波，X射線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)更短(約在0.001～100 納米，醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的X射線波長(zhǎng)約在0.001～0.1 納米之間)，它的光子能量比可見(jiàn)光的光子能量大幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)倍。因此，X射線除具有可見(jiàn)光的一般性質(zhì)外，還具有自身的特性。正由于X射線的特性，使其在發(fā)現(xiàn)后不久，很快在物理學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)上得到廣泛的應(yīng)用（右圖為X射線探傷機(jī)），特別是在醫(yī)學(xué)上，X射線技術(shù)已成為對(duì)疾病進(jìn)行診斷和治療的專(zhuān)門(mén)學(xué)科，在醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)中占有重要地位。

1.X射線的物理效應(yīng)

（1）穿透作用。X射線因其波長(zhǎng)短，能量大，照在物質(zhì)上時(shí)，僅一部分被物質(zhì)所吸收，大部分經(jīng)由原子間隙而透過(guò)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的穿透能力。X射線穿透物質(zhì)的能力與X射線光子的能量有關(guān)，X射線的波長(zhǎng)越短，光子的能量越大，穿透力越強(qiáng)。X射線的穿透力也與物質(zhì)密度有關(guān)，利用差別吸收這種性質(zhì)可以把密度不同的物質(zhì)區(qū)分開(kāi)來(lái)。（左圖為X射線行李檢查儀）

（2）電離作用。物質(zhì)受X射線照射時(shí)，可使核外電子脫離原子軌道產(chǎn)生電離。利用電離電荷的多少可測(cè)定X射線的照射量，根據(jù)這個(gè)原理制成了X射線測(cè)量?jī)x器。在電離作用下，氣體能夠?qū)щ姡荒承┪镔|(zhì)可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；在有機(jī)體內(nèi)可以誘發(fā)各種生物效應(yīng)。

（3）熒光作用。X射線波長(zhǎng)很短不可見(jiàn)，但它照射到某些化合物如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘、鎢酸鈣等時(shí)，可使物質(zhì)發(fā)生熒光（可見(jiàn)光或紫外線），熒光的強(qiáng)弱與X射線量成正比。這種作用是X射線應(yīng)用于透視的基礎(chǔ)，利用這種熒光作用可制成熒光屏，用作透視時(shí)觀察X射線通過(guò)人體組織的影像，也可制成增感屏，用作攝影時(shí)增強(qiáng)膠片的感光量。

（4）熱作用。物質(zhì)所吸收的X射線能大部分被轉(zhuǎn)變成熱能，使物體溫度升高。

（5）干涉、衍射、反射、折射作用。這些作用在X射線顯微鏡（左圖）、波長(zhǎng)測(cè)定和物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中都得到應(yīng)用。（右圖為澳大利亞制造的新型X射線顯微鏡拍攝的物體內(nèi)亞結(jié)構(gòu)高分辨率圖像）

2.X射線的化學(xué)效應(yīng)

（1）感光作用。X射線同可見(jiàn)光一樣能使膠片感光。膠片感光的強(qiáng)弱與X射線量成正比，當(dāng)X射線通過(guò)人體時(shí)，因人體各組織的密度不同，對(duì)X射線量的吸收不同，膠片上所獲得的感光度不同，從而獲得X射線的影像。

（2）著色作用。X射線長(zhǎng)期照射某些物質(zhì)如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等，可使其結(jié)晶體脫水而改變顏色。

3.X射線的生物效應(yīng)

X射線照射到生物機(jī)體時(shí)，可使生物細(xì)胞受到抑制、破壞甚至壞死，致使機(jī)體發(fā)生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變。不同的生物細(xì)胞，對(duì)X射線有不同的敏感度，可用于治療人體的某些疾病，特別是腫瘤的治療（右圖為治療腫瘤的X刀）。在利用X射線的同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致病人脫發(fā)、皮膚燒傷、工作人員視力障礙，白血病等射線傷害的問(wèn)題，在應(yīng)用X射線的同時(shí)，也應(yīng)注意其對(duì)正常機(jī)體的傷害，注意采取防護(hù)措施。

與X射線相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng) 

從1901年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)的倫琴開(kāi)始，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，因研究X射線技術(shù)、以及使用X射線進(jìn)行研究、與X射線有關(guān)的研究而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的已有多人，可見(jiàn)X射線在科技發(fā)展中占有的重要地位。以下統(tǒng)計(jì)可能不完全：

[1]1901年，諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)，倫琴就由于發(fā)現(xiàn)X射線而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

[2]1914年，勞厄由于利用X射線通過(guò)晶體時(shí)的衍射，證明了晶體的原子點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

[3]1915年，布拉格父子因在用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面所作出的杰出貢獻(xiàn)分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

[4]1917年，巴克拉由于發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)X射線獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

[5]1924年，西格班因在X射線光譜學(xué)方面的貢獻(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

[6]1927年，康普頓與威爾遜因發(fā)現(xiàn)X射線的粒子特性同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

[7]1936年，德拜因利用偶極矩、X射線和電子衍射法測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的成就而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[8]1946年，繆勒因發(fā)現(xiàn)X射線能人為地誘發(fā)遺傳突變而獲諾貝爾生理學(xué).醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

[9]1954年，鮑林由于在化學(xué)鍵的研究以及用化學(xué)鍵的理論闡明復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（他的成就與X射線衍射研究密不可分）。

[10]1962年，沃森、克里克、威爾金斯因發(fā)現(xiàn)核酸的分子結(jié)構(gòu)及其對(duì)生命物質(zhì)信息傳遞的重要性分享了諾貝爾生理學(xué).醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)（他們的研究成果是在X射線衍射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的）。

[11]1962年，佩魯茨和肯德魯用X射線衍射分析法首次精確地測(cè)定了蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)而分享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[12]1964年，霍奇金因在運(yùn)用X射線衍射技術(shù)測(cè)定復(fù)雜晶體和大分子的空間結(jié)構(gòu)取得的重大成果獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[13]1969年，哈塞爾與巴頓因提出“構(gòu)象分析”的原理和方法，并應(yīng)用在有機(jī)化學(xué)研究而同獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（他們用X射線衍射分析法開(kāi)展研究）。

[14]1973年，威爾金森與費(fèi)歇爾因?qū)τ袡C(jī)金屬化學(xué)的研究卓有成效而共獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[15]1976年，利普斯科姆因用低溫X射線衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的結(jié)構(gòu)及成鍵規(guī)律的重大貢獻(xiàn)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[16]1979年，諾貝爾生理.醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)破例地授給了對(duì)X射線斷層成像儀（CT）作出特殊貢獻(xiàn)的豪斯菲爾德和科馬克這兩位沒(méi)有專(zhuān)門(mén)醫(yī)學(xué)經(jīng)歷的科學(xué)家。

[17]1980年，桑格借助于X射線分析法與吉爾伯特、·伯格因確定了胰島素分子結(jié)構(gòu)和DNA核苷酸順序以及基因結(jié)構(gòu)而共獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[18]1981年，凱.西格班由于在電子能譜學(xué)方面的開(kāi)創(chuàng)性工作獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半。

[19]1982年，克盧格因在測(cè)定生物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)方面的突出貢獻(xiàn)而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[20]1985年，豪普特曼與卡爾勒因發(fā)明晶體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算法，為探索新的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)作出開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)而分享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[21]1988年，戴森霍弗、胡伯爾、米歇爾因用X射線晶體分析法確定了光合成中能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)的反應(yīng)中心復(fù)合物的立體結(jié)構(gòu)，共享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[22]1997年，斯科與博耶和沃克因籍助同步輻射裝置的X射線，在人體細(xì)胞內(nèi)離子傳輸酶方面的研究成就而共獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[23]2002年，賈科尼因發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源，與戴維斯、小柴昌俊共同分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

[24]2003年，阿格雷和麥金農(nóng)因發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜水通道，以及對(duì)細(xì)胞膜離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究作出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（他們的成果用Ｘ射線晶體成像技術(shù)獲得）。

[25]2006年，科恩伯格被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以獎(jiǎng)勵(lì)他在“真核轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)”研究領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)（他將X射線衍射技術(shù)結(jié)合放射自顯影技術(shù)開(kāi)展研究）。

誘發(fā)遺傳突變 

1927年，美國(guó)生物學(xué)家繆勒（Hermann Josepn Muller，1890～1967）（右圖）在研究基因突變的過(guò)程中，用X射線照射了上百個(gè)果蠅，觀察它們與未經(jīng)照射的果蠅交配后所產(chǎn)生后代的變異。他意外地發(fā)現(xiàn)，X射線大大加速了果蠅的變異，并廣泛地涉及到眼睛、剛毛、觸角、翅膀、個(gè)體大小、活潑程度等各個(gè)方面。這些變異現(xiàn)象，顯然是由基因突變引起的。人工誘發(fā)遺傳突變獲得成功，開(kāi)辟了輻射遺傳和人工誘變研究的新領(lǐng)域，在理論和實(shí)踐上均有重大意義。

繆勒的工作使他的老師摩爾根（T.H.Morgan）所創(chuàng)立的基因?qū)W說(shuō)在實(shí)踐上得到了發(fā)展，繆勒因發(fā)現(xiàn)X射線能人為地誘發(fā)遺傳突變而被授予1946年諾貝爾生理學(xué).醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)[8]。繆勒最早指出放射線對(duì)人類(lèi)的遺傳有危害作用，他認(rèn)為核（彈）試驗(yàn)的放射性塵埃能引起大量有害突變，可能殃及后代。

揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 

20世紀(jì)40年代末和50年代初，DNA被確認(rèn)為遺傳物質(zhì)，它能攜帶遺傳信息，能自我復(fù)制傳遞遺傳信息，能讓遺傳信息得到表達(dá)以控制細(xì)胞活動(dòng)，并能突變并保留突變。生物學(xué)家們面臨的難題是：DNA是什么樣的結(jié)構(gòu)？當(dāng)時(shí)主要有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室在研究DNA分子模型。

一是倫敦國(guó)王學(xué)院的威爾金斯（Maurice Wilkins，1916-2004）（左）、富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin，1920～1958）（左圖）實(shí)驗(yàn)室，他們用X射線衍射法研究DNA的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)X射線照射到生物大分子的晶體時(shí)，晶格中的原子或分子會(huì)使射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)得到的衍射圖像，可以推測(cè)分子大致的結(jié)構(gòu)和形狀。英國(guó)女生物學(xué)家富蘭克林最早認(rèn)定DNA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)。1952年5月，她運(yùn)用X射線衍射技術(shù)拍攝到了清晰而優(yōu)美的DNA照片（右圖），照片表明DNA是由兩條長(zhǎng)鏈組成的雙螺旋，寬度為20埃，這為探明其結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)。

二是加州理工學(xué)院的萊納斯.鮑林（Linus Carl Pauling，1901-1994）（左圖）實(shí)驗(yàn)室。早在20世紀(jì)30年代初，鮑林對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)研究產(chǎn)生了興趣，最初的工作是對(duì)血紅蛋白結(jié)構(gòu)的確定。為了進(jìn)一步精確測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，他想到他早期從事的X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試的方法，將這種方法引入到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定中，并且推導(dǎo)了經(jīng)衍射圖譜計(jì)算蛋白質(zhì)中重原子坐標(biāo)的公式。至今，通過(guò)蛋白質(zhì)結(jié)晶進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)仍然是測(cè)定蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的主要方法，人類(lèi)已知結(jié)構(gòu)的絕大部分蛋白質(zhì)都是經(jīng)由這種方法測(cè)定獲得的。結(jié)合血紅蛋白的晶體衍射圖譜，鮑林提出蛋白質(zhì)中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的，這是最早的α螺旋結(jié)構(gòu)模型。1954年，鮑林由于在化學(xué)鍵的研究以及用化學(xué)鍵的理論闡明復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（他的成就與X射線衍射研究密不可分）[9]。

三是沃森（James Watson，1928-）（左）和克里克（Francis Crick，1916-2004）（右）的研究小組。沃森1951年在劍橋大學(xué)做博士后，研究DNA分子結(jié)構(gòu)，課題項(xiàng)目是研究煙草花葉病毒?？死锟水?dāng)時(shí)正在做博士論文，論文題目是“多肽和蛋白質(zhì)：X射線研究”。沃森需要克里克在X射線晶體衍射學(xué)方面的知識(shí)，他說(shuō)服克里克參加DNA分子模型的研究。他們從1951年10月開(kāi)始拼湊模型，幾經(jīng)嘗試，終于在1953年3月獲得了正確的模型。

DNA雙螺旋模型的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)最為重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，也是生物學(xué)歷史上惟一可與達(dá)爾文進(jìn)化論相比的最重大的發(fā)現(xiàn)，它揭開(kāi)了分子生物學(xué)的新篇章，人類(lèi)從此開(kāi)始進(jìn)入改造、設(shè)計(jì)生命的征程。同時(shí)，它也是許多人共同奮斗的結(jié)果，克里克、威爾金斯、富蘭克林和沃森，特別是克里克，是其中最為杰出的。

沃森、克里克、威爾金斯因發(fā)現(xiàn)核酸的分子結(jié)構(gòu)及其對(duì)生命物質(zhì)信息傳遞的重要性分享了1962年的諾貝爾生理學(xué).醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)（他們的研究成果是在X射線衍射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的）[10]。

測(cè)定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu) 

英國(guó)生物化學(xué)家肯德魯(John Cowdery Kendrew，1917-1997)（左）和佩魯茲(Max Ferdinand Perutz，1914-)（右），用X射線衍射分析法研究血紅蛋白和肌紅蛋白?？系卖斢锰厥獾?/FONT>X射線衍射技術(shù)及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)描述肌球蛋白螺旋結(jié)構(gòu)中氨基酸單位的排列，他與佩魯茨共同研究X射線衍射晶體照相術(shù)，以及蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)與功能。

測(cè)定生物分子結(jié)構(gòu) 

英國(guó)女化學(xué)家霍奇金（Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin，1910～1994）（左圖）研究了數(shù)以百計(jì)固醇類(lèi)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其中包括維生素D₂（鈣化甾醇）和碘化膽固醇。她在運(yùn)用X射線衍射技術(shù)測(cè)定復(fù)雜晶體和大分子的空間結(jié)構(gòu)的研究中取得了巨大成就。1949年她測(cè)定出青霉素的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了青霉素的大規(guī)模生產(chǎn)。1957年又成功測(cè)定出了抗惡性貧血的有效藥物——維生素B₁₂的巨大分子結(jié)構(gòu)（右圖），使合成維生素B₁₂成為可能。

由于霍奇金這兩項(xiàng)成果意義重大，影響深遠(yuǎn)，她于1964年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[12]，成為繼居里夫人及其女兒伊倫·約里奧—居里之后，第三位獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的女科學(xué)家。

構(gòu)象分析法 

挪威化學(xué)家哈塞爾（Odd Hassell,1897-1981）（左）1930年開(kāi)始研究環(huán)己烷及其衍生物的結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)50年代起，哈塞爾主要從事有機(jī)鹵化物的結(jié)構(gòu)研究，他用X射線衍射法研究結(jié)晶結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)，并測(cè)定電偶極矩，在確立用構(gòu)象分析（分子的三維幾何結(jié)構(gòu)）把化學(xué)性狀和分子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)聯(lián)系方面的研究卓有成效。

哈塞爾與英國(guó)化學(xué)家巴頓（ Derek Harold Richard Barton，1918-1998）（右）因提出“構(gòu)象分析”的原理和方法，并把它應(yīng)用在有機(jī)化學(xué)研究中,研究了分子特性與分子中原子的復(fù)雜空間三維結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對(duì)發(fā)展立體化學(xué)理論作出了貢獻(xiàn)而同獲1969年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[13]。

有機(jī)金屬化學(xué) 

英國(guó)化學(xué)家威爾金森（Geoffrey Wilkinson，1921-）（左）主要研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化學(xué)和有機(jī)金屬化學(xué)。1951年發(fā)表了合成二茂鐵的論文，后來(lái)通過(guò)化學(xué)與物理方法的綜合研究及X射線結(jié)構(gòu)分析，證明了二茂鐵是一個(gè)具有夾心面包式結(jié)構(gòu)的化合物，一個(gè)鐵原子位于兩個(gè)茂基之間，兩個(gè)茂基的五碳平面環(huán)互相平行（右圖）。

他在從事金屬與氫鍵合的研究中幾乎合成了全部過(guò)渡金屬的二茂夾心式化合物，還對(duì)過(guò)渡金屬的羰基化合物、氫化物和羥基化合物進(jìn)行研究。1964年，他發(fā)現(xiàn)了三氯化物均相加氫催化劑(通稱(chēng)威爾金森催化劑)，在無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)中有廣泛意義，并具有重要工業(yè)價(jià)值。

德國(guó)化學(xué)家費(fèi)歇爾（Ernst Otto Fischer，1918-）研究了二茂鐵的結(jié)構(gòu)，他提出了一種新的成鍵形式——夾心結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明其穩(wěn)定性和磁性，并用X射線晶體分析法加以證實(shí)。1953年他的研究報(bào)告發(fā)表后引起了廣泛的重視。他還預(yù)測(cè)了二苯鉻夾心化合物的存在，于1954年合成了二苯鉻，并測(cè)定了它的結(jié)構(gòu)。

威爾金森與費(fèi)歇爾因?qū)τ袡C(jī)金屬化學(xué)的研究卓有成效而共獲1973年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[14]。

硼化合物結(jié)構(gòu) 

美國(guó)物理化學(xué)家利普斯科姆(William Nunn Lipscomb，1919- ) 主要從事硼烷、碳硼烷結(jié)構(gòu)的研究。他與同事們發(fā)展并應(yīng)用了低溫X射線衍射和核磁共振等方法，得到了許多硼氫化合物和硼烷的分子結(jié)構(gòu)圖。他們的方法在生物化學(xué)的研究中也得到了應(yīng)用。1963年他發(fā)表了專(zhuān)著《硼的氫化物》。由于他在研究硼化合物的結(jié)構(gòu)及成鍵規(guī)律以及化學(xué)鍵一般性質(zhì)方面的成就，獲得1976年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[15]。

X射線斷層照相 

利用X射線穿透后物質(zhì)的性能與被穿透的物質(zhì)種類(lèi)有關(guān)的特性，創(chuàng)立了X射線影像診斷技術(shù)。例如，當(dāng)X射線穿透人體時(shí)，骨骼吸收的X射線量比肌肉吸收的要多，通過(guò)后的X射線量不一樣，攜帶了人體各部密度分布的信息，在熒光屏上或攝影膠片上引起的熒光作用或感光作用的強(qiáng)弱不同，因而顯示出不同密度的陰影。醫(yī)生可根據(jù)陰影濃淡的對(duì)比，結(jié)合臨床表現(xiàn)、化驗(yàn)結(jié)果和病理診斷，判斷人體某一部分是否正常。X射線診斷技術(shù)是世界上最早應(yīng)用的人體非創(chuàng)傷性?xún)?nèi)臟檢查技術(shù)。但這種X射線照相無(wú)法解決前后物體的圖像重疊問(wèn)題。

1917年，奧地利數(shù)學(xué)家雷唐提出過(guò)用高度準(zhǔn)直、極細(xì)筆狀X射線束，環(huán)繞人體某一部分作斷層掃描。未被吸收的光子穿透人體后被檢測(cè)器接收，這些模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算后可重建圖像，這就是斷層照相的基本思想?？上恼撐脑诎l(fā)表后的50多年里被湮沒(méi)了，直至20世紀(jì)70年代初才發(fā)現(xiàn)。此后，在數(shù)學(xué)家們提出的各種對(duì)斷面掃描數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算方法中，貢獻(xiàn)最大的是美國(guó)理論物理學(xué)家科馬克（Alan MacLeod Cormack，1924-1998）（左圖）。1955年，在開(kāi)普敦大學(xué)物理系教理論物理學(xué)的科馬克對(duì)癌的放射治療和診斷產(chǎn)生了興趣。他發(fā)現(xiàn)醫(yī)生在計(jì)算放射劑量時(shí)，把非均質(zhì)的人體當(dāng)作均質(zhì)看待。他認(rèn)為應(yīng)把人體構(gòu)造和組成特征用一系列前后相繼的切面圖像表現(xiàn)出來(lái)。經(jīng)過(guò)近10年的努力，他終于解決了計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的理論問(wèn)題。1963年，他首先建議用X射線掃描進(jìn)行圖像重建，并提出了精確的數(shù)學(xué)推算方法。

20世紀(jì)70年代，英國(guó)EMI公司的工程師豪斯菲爾德（N．Hounsfield，1919-2004）（右圖）在參考科馬克發(fā)表的應(yīng)用數(shù)學(xué)重建圖像理論的基礎(chǔ)上，把電子計(jì)算機(jī)斷層照相技術(shù)引入醫(yī)學(xué)，使電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與X射線機(jī)相結(jié)合，完成圖像重建過(guò)程。

1971年，豪斯菲爾德研制成功的世界上第一臺(tái)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描機(jī)（Computerized Tomography，簡(jiǎn)稱(chēng)CT）在倫敦一家醫(yī)院正式安裝使用。X射線管在置在患者上方, 繞檢查部位旋轉(zhuǎn), 患者下方的計(jì)數(shù)器也同時(shí)旋轉(zhuǎn)。由于人體器官和組織對(duì)X射線的吸收程度不同,病變組織和正常組織對(duì)X射線的吸收程度也不同，這些差別反映在計(jì)數(shù)器上, 經(jīng)電子計(jì)算機(jī)處理，便構(gòu)成了探測(cè)對(duì)象各個(gè)部位的橫斷圖像呈現(xiàn)在熒光屏上，它解決了X射線照相的前后物體圖像重疊問(wèn)題，大大提高了醫(yī)學(xué)診斷的可靠性和準(zhǔn)確性，使醫(yī)學(xué)成像技術(shù)向前跨了一大步。豪斯菲爾德與神經(jīng)放射學(xué)家阿姆勃?jiǎng)谒购献鳎晒Φ貫橐幻?guó)婦女診斷出腦部的腫瘤，獲得了第一例腦腫瘤的照片。他們?cè)谟?guó)放射學(xué)會(huì)上發(fā)表了第一篇論文，1973年英國(guó)放射學(xué)雜志對(duì)此作了正式報(bào)道，這篇論文受到了醫(yī)學(xué)界的高度重視，被譽(yù)為“放射診斷學(xué)史上又一個(gè)里程碑”，從此，放射診斷學(xué)進(jìn)人了CT時(shí)代。1979年的諾貝爾生理.醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)破例地授給了豪斯菲爾德和科馬克這兩位沒(méi)有專(zhuān)門(mén)醫(yī)學(xué)經(jīng)歷的科學(xué)家[16]。

最早的CT  機(jī)使用單束X 射線，配有1～2  個(gè)檢測(cè)器，掃描時(shí)X  射線管每次僅轉(zhuǎn)動(dòng)1°，完成一次掃描需4～5 分鐘。第二代CT  機(jī)采用兩束X射線構(gòu)成10°～20°的扇形束,  配有20～30  個(gè)檢測(cè)器,  每次掃描只需30～120秒。第三代CT 機(jī)由多個(gè)X 射線管組成30°的扇形束,  用250～350個(gè)檢測(cè)器，每次掃描只需2.5秒。第四代CT機(jī)用多個(gè)X射線管組成50°的扇形束,  用600～2400個(gè)檢測(cè)器排列成環(huán)狀，掃描時(shí)間僅1秒（右圖為第四代CT機(jī)掃描結(jié)構(gòu)）。CT機(jī)正向第五代過(guò)渡，只要1/100 秒就可捕捉到人體生理活動(dòng)的動(dòng)態(tài)信息。

現(xiàn)代基因工程 

英國(guó)生物化學(xué)家桑格（Frederick Sanger，1918-）（左）1955年研究確定了牛胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而奠定了合成胰島素的基礎(chǔ)，并促進(jìn)了對(duì)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的研究。1958年桑格因確定胰島素的分子結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

22年后，桑格借助于x射線分析法與美國(guó)生物化學(xué)家吉爾伯特（Walter Gilbert，1932-）（右）、·美國(guó)生物化學(xué)家伯格（Paul Berg，1926- ）（右右）確定了胰島素分子結(jié)構(gòu)和DNA核苷酸順序以及基因結(jié)構(gòu)而共獲1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[17]。

顯微影像重組 

1968年，英籍南非生物化學(xué)家克盧格(Aaron Klug，1926-) 將X射線衍射法和電子顯微鏡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)明了顯微影像重組技術(shù)，并用這種技術(shù)揭示了病毒和細(xì)胞內(nèi)重要遺傳物質(zhì)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)是把一種結(jié)晶物質(zhì)的電子顯微照片置于激光下曝光，當(dāng)激光照在底片的圖象上時(shí),它便發(fā)生衍射或散射,再用這無(wú)數(shù)小點(diǎn)形成的圖樣制出比電子顯微照片上的圖象更詳細(xì)的圖象來(lái)。他利用晶體的各個(gè)“面”的若干個(gè)這樣的二維圖象，形成一個(gè)生物大分子結(jié)構(gòu)的立體圖象。

此項(xiàng)技術(shù)可用來(lái)研究那些由于分子太大而不能用 X射線晶體學(xué)來(lái)研究的結(jié)構(gòu)，為測(cè)定生物大分子結(jié)構(gòu)研究開(kāi)創(chuàng)了一條新路?？吮R格用此技術(shù)確定桿狀煙葉花葉病毒是由100多個(gè)圓片以核糖核酸為中心堆疊而成的。他指出，這些“球形”病毒的圖象，同能引起小兒麻痹癥和疣的病毒一樣，它們的結(jié)構(gòu)都有20個(gè)面?？吮R格及其劍橋大學(xué)的同事們還研究了轉(zhuǎn)移核糖核酸的螺旋結(jié)構(gòu)及其在動(dòng)物細(xì)胞中的作用。克盧格因在測(cè)定生物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)方面的突出貢獻(xiàn)而獲得1982年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[19]。

晶體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算法 

美國(guó)晶體學(xué)家豪普特曼(Herbert Aaron Hauptman，1917-) 和美國(guó)物理學(xué)家卡爾勒(Jerome Karle，1918-)主要從事X射線晶體學(xué)中的相角問(wèn)題和矩陣?yán)碚摰难芯俊?/FONT>X射線衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)的重要手段，20世紀(jì)50年代以來(lái),豪普特曼和卡爾勒用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法研究了晶體的衍射數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中隱含有相角的信息。經(jīng)過(guò)大量的工作，推導(dǎo)出衍射線相角的關(guān)系式，可直接從衍射強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)中得到各衍射線相角的信息，這就是晶體學(xué)結(jié)構(gòu)的直接計(jì)算法。

光合作用反應(yīng)中心的立體結(jié)構(gòu) 

德國(guó)科學(xué)家胡伯爾(Robert Huber，1937-)（左圖）1972年在德國(guó)馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)研究所建立了蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)研究室，為生物巨分子膜結(jié)構(gòu)與功能的理解做出了重要的貢獻(xiàn)。他對(duì)于資料收集的儀器和蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)的方法，特別是Patterson方法、圖解方法和精制，對(duì)于電子富含金屬簇的用途和最新的結(jié)晶改進(jìn)的方法和儀器做出了貢獻(xiàn)。

戴森霍弗(Johann Deisehofer，1937-)（左）對(duì)結(jié)晶體結(jié)構(gòu)學(xué)具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，也是計(jì)算及科學(xué)方面強(qiáng)有力的學(xué)者。米歇爾 (Hartnut Michel，1948-)（右）1981年7月底成功地從視紫紅蛋白中獲得了世界上第一個(gè)膜蛋白晶體—紫色光合細(xì)菌的光合作用反應(yīng)中心的晶體，并以3埃的高精確度確定了該反應(yīng)中心的三維結(jié)構(gòu)。

他們?nèi)撕献?/FONT>用X射線晶體分析法確定了光合成中能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)的反應(yīng)中心復(fù)合物的立體結(jié)構(gòu)，揭示了由膜束的蛋白質(zhì)形成的全部細(xì)節(jié)而分享了1988年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[21]。

人體細(xì)胞內(nèi)的離子傳輸酶 

 20世紀(jì)50年代初，美國(guó)生物化學(xué)家博耶（Paul D．Boyer，1918-）（左圖）發(fā)現(xiàn)細(xì)胞形成三磷酸腺苷的過(guò)程發(fā)生在動(dòng)物細(xì)胞的線粒體中。1961年，英國(guó)化學(xué)家米切爾認(rèn)為，形成三磷酸腺苷所需的能量是氫離子沿著其濃度梯度的方向穿過(guò)線粒體膜時(shí)提供的（米切爾為此獲1978年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）。博耶的研究集中于三磷酸腺苷合酶（大多數(shù)生物的主要產(chǎn)能分子，這種分子有助于三磷酸腺苷這種化學(xué)能量載體的合成），他假設(shè)一種不平常的機(jī)制來(lái)解釋三磷酸腺苷合酶的特性，被稱(chēng)做“束縛轉(zhuǎn)變機(jī)制”。

英國(guó)化學(xué)家沃克（John Emest Walker，1941-）（右圖）于20世紀(jì)80年代初開(kāi)始研究三磷酸腺苷合酶，他的研究重點(diǎn)在酶的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)上。他確定了構(gòu)成合酶蛋白質(zhì)單元的氨基酸的序列。90年代，沃克與X射線結(jié)晶學(xué)家一起籍助同步輻射裝置的X射線研究生物分子的結(jié)構(gòu)與功能，澄清了酶的三維結(jié)構(gòu)，取得了突破性的成就。他的研究工作支持了博耶的“束縛轉(zhuǎn)變機(jī)制”。

丹麥生物化學(xué)家斯科（Jens C．Skou，1918-）（左圖）于20世紀(jì)50年代后期在動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜中發(fā)現(xiàn)了鈉鉀ATP酶。束縛于細(xì)胞膜的鈉鉀ATP酶被外部的鉀和內(nèi)部的鈉所激活，酶將鈉泵出細(xì)胞并將鉀泵入細(xì)胞，從而維持相對(duì)于周?chē)獠凯h(huán)境的細(xì)胞內(nèi)部的高鉀濃度和低鈉濃度。

斯科與博耶和沃克因?qū)θ梭w細(xì)胞內(nèi)的離子傳輸酶方面的成就而分享1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[22]。

細(xì)胞膜水通道及離子通道結(jié)構(gòu) 

水溶液占人體重量的70％，生物體內(nèi)的水溶液主要由水分子和各種離子組成，它們?cè)诩?xì)胞膜通道中的進(jìn)進(jìn)出出可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的很多功能。20世紀(jì)50年代中期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜中存在著某種通道只允許水分子出入，人們稱(chēng)之為水通道。因?yàn)樗畬?duì)于生命至關(guān)重要，可以說(shuō)水通道是最重要的一種細(xì)胞膜通道，但水通道到底是什么一直是個(gè)謎。

20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)科學(xué)家阿格雷（Peter Agre，1949-）（左圖）研究了不同的細(xì)胞膜蛋白，發(fā)現(xiàn)一種被稱(chēng)為水通道蛋白的細(xì)胞膜蛋白就是人們尋找已久的水通道。2000年，阿格雷與其他研究人員一起公布了世界第一張水通道蛋白的高清晰度立體照片（右右）。照片揭示了這種蛋白的特殊結(jié)構(gòu)只允許水分子通過(guò)。

奧斯特瓦爾德（1909年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者）在1890年就推測(cè)離子進(jìn)出細(xì)胞會(huì)傳遞信息。20世紀(jì)20年代，科學(xué)家證實(shí)了存在一些供離子出入的細(xì)胞膜通道。50年代初，霍奇金和哈克斯利發(fā)現(xiàn)離子從一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞中出來(lái)進(jìn)入另一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞可以傳遞信息，他們獲得了1963年諾貝爾生理學(xué).醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，但那時(shí)還不了解離子通道的結(jié)構(gòu)和工作原理。

1998年，美國(guó)科學(xué)家麥金農(nóng)（Roderick MacKinnon，1956-）（左圖）在美國(guó)康奈爾大學(xué)的同步輻射裝置CESR（簡(jiǎn)介）上利用Ｘ射線晶體成像技術(shù)獲得了世界第一張離子通道的高清晰度照片（右右），并第一次從原子層次揭示了離子通道的工作原理。這張照片上的離子通道取自青鏈霉菌，也是一種蛋白。

麥金農(nóng)的方法是革命性的，它可以讓科學(xué)家觀測(cè)離子在進(jìn)入離子通道前的狀態(tài)，在通道中的狀態(tài)，以及穿過(guò)通道后的狀態(tài)。對(duì)水通道和離子通道的研究意義重大。

阿格雷和麥金農(nóng)被授予2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[24]，分別表彰他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜水通道，以及對(duì)細(xì)胞膜離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究作出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。他們的發(fā)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)探索腎臟、心臟、肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)等方面的諸多疾病具有極其重要的意義。諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)通常只頒發(fā)給年齡較大的科學(xué)家，獲獎(jiǎng)成果都需經(jīng)過(guò)幾十年的檢驗(yàn)。但阿格雷獲獎(jiǎng)時(shí)只有54歲，而麥金農(nóng)才47歲，他們的研究成果也比較新，這在諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)歷史上也屬罕見(jiàn)，顯示出當(dāng)代科學(xué)跨領(lǐng)域研究的趨勢(shì)。

捕捉脫氧核糖核酸（DNA）的復(fù)制過(guò)程 

基因中遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制是地球上所有生物生存和發(fā)展必然經(jīng)歷的過(guò)程，美國(guó)科學(xué)家科恩伯格（Roger Kornberg，1947-）（左圖）第一個(gè)成功地將脫氧核糖核酸（DNA）的復(fù)制過(guò)程捕捉下來(lái)（右下圖）。

布拉格父子因發(fā)明X射線晶體結(jié)構(gòu)分析法共同獲得了1915年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。科恩伯格的父親亞瑟（Arthur Kornberg，1918-）因研究出DNA合成過(guò)程的細(xì)節(jié)而獲得了1959年的諾貝爾生理學(xué).醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，當(dāng)年只有12歲的科恩伯格曾跟隨父親前往斯德哥爾摩參加諾貝爾獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)儀式。

科恩伯格從20世紀(jì)70年代開(kāi)始使用X射線衍射技術(shù)結(jié)合放射自顯影技術(shù)開(kāi)展研究。他在美國(guó)斯坦福直線加速器中心SLAC（簡(jiǎn)介）的同步輻射裝置SSRL上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究遺傳信息最初復(fù)制到RNA中的過(guò)程，對(duì)此過(guò)程中各個(gè)階段的DNA、RNA和聚合酶的復(fù)合體進(jìn)行結(jié)晶，用X射線拍下各個(gè)階段的復(fù)合體的照片，揭示了真核生物體內(nèi)的細(xì)胞如何利用基因內(nèi)存儲(chǔ)的信息生產(chǎn)蛋白質(zhì)，為破譯生命的隱秘做出了重大貢獻(xiàn)。

科恩伯格被授予2006年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[25]，以獎(jiǎng)勵(lì)他在“真核轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)”研究領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。

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