X射线技术的发展史

2016-01-02 18:45:05  高能物理研究所
本文作者:佚名

X射线技术的发展史

2016-01-02 18:45:05
作者:佚名
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X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现(X射线1896年、放射线1896年、电子1897年)之一,这一发现标志着现代物理学的产生。X射线的发现为诸多科学领域提供了一种行之有效的研究手段。X射线的发现和研究,对20世纪以来的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。
失之交臂 1836年,英国科学家迈克尔.法拉第(Michael Faraday,1791-1867)(左图)发现,在稀薄气体中放电时会产生一种绚丽的辉光。后来,物理学家把这种辉光称为“阴极射线”,因为它是由阴极发出的。1861年,英国科学家威廉.克鲁克斯(William Crookes,1832-1919)(右图)发现通电的阴极射线管在放电时会产生亮光,于是就把它拍下来,可是显影后发现整张干版上什么也没照上,一片模糊。他以为干版旧了,又用新干版连续照了三次,依然如此。克鲁克斯的实验室非常简陋,他认为是干版有毛病,退给了厂家。他也曾发现抽屉里保存在暗盒里的胶卷莫名其妙地感光报废了,他找到胶片厂商,指斥其产品低劣。一个伟大的发现与他失之交臂,直到伦琴发现了X光,克鲁克斯才恍然大悟。在伦琴发现X光的五年前,美国科学家古德斯柏德在实验室里偶然洗出了一张X射线的透视底片。但他归因于照片的冲洗药水或冲洗技术,便把这一“偶然”弃之于垃圾堆中。
发现X射线 1895年10月,德国实验物理学家伦琴(Wilhelm Konrad Rontgen,1854~1923)(左图)也发现了干板底片“跑光”现象,他决心查个水落石出。伦琴吃住在实验室,一连做了7个星期的秘密实验。11月8日,伦琴用克鲁克斯阴极射线管做实验,他用黑纸把管严密地包起来,只留下一条窄缝。他发现电流通过时,两米开外一个涂了亚铂氰化钡的小屏发出明亮的荧光。如果用厚书、2-3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间,仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验,实验结果表明它们也是“透明的”,铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过,只要它们不太厚。使伦琴更为惊讶的是,当他把手放在纸屏前时,纸屏上留下了手骨的阴影。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线,它具有特别强的穿透力。伦琴用这种射线拍摄了他夫人的手的照片,显示出手的骨骼结构。(右图)1895年12月28日,伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯《一种新射线——初步报告》。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线(数学上经常使用的未知数符号X),因为他当时无法确定这一新射线的本质。伦琴的这一发现立即引起了强烈的反响:1896年1月4日柏林物理学会成立50周年纪念展览会上展出X射线照片。1月5日维也纳《新闻报》抢先作了报道;1月6日伦敦《每日纪事》向全世界发布消息,宣告发现X射线。这些宣传,轰动了当时国际学术界,伦琴的论文在3个月之内就印刷了5次,立即被译成英、法、意、俄等国文字。X射线作为世纪之交的三大发现之一,引起了学术界极大的研究热情。此后,伦琴发表了《论一种新型的射线》、《关于X射线的进一步观察》等一系列研究论文。1901年诺贝尔奖第一次颁发,伦琴就由于发现X射线而获得了这一年的物理学奖[1]。伦琴发现X射线使X射线研究迅速升温,几乎所有的欧洲实验室都立即用X射线管来进行试验和拍照。几个星期之后,X射线已开始被医学家利用。医生应用X射线准确地显示了人体的骨骼,这是物理学的新发现在医学中最迅速的应用。随后,创立了用X射线检查食道、肠道和胃的方法,受检查者吞服一种造影剂(如硫酸钡),再经X射线照射,便可显示出病变部位的情景。以后又发明了用于检查人体内脏其他一些部位的造影剂。X射线诊断仪在相当一个时期内一直作为医院中最重要的诊断仪器。为纪念伦琴对物理学的贡献,后人也称X射线为伦琴射线,并以伦琴的名字作为X射线等的照射量单位。
偏振性及标识X射线 自伦琴发现X射线后,许多物理学家都在积极地研究和探索。1897年,法国物理学家塞格纳克(G.M.M.Sagnac,1869-1926)发现X射线还有一种效应引人注目,当它照射到物质上时会产生二次辐射,这种二次辐射是漫反射,比入射的X射线更容易吸收。这一发现为以后研究X射线的性质作了准备。1906年英国物理学家巴克拉(Charles Glover Barkla,1877-1944)(左图)在塞格纳克的基础上做实验,他将X射线管发出的X射线以45°角辐照在散射物A上(右图),从A发出的二次辐射又以45°角投向散射物B,再从垂直于二次辐射的各个方向观察三次辐射,发现强度有很大变化,沿着既垂直于入射射线又垂直于二次辐射的方向强度最弱。由此巴克拉得出了X射线具有偏振性的结论。根据X射线的偏振性,人们开始认识到X射线和普通光是类似的。偏振性的发现对认识X射线的本质虽然前进了一大步,但还不足以判定X射线是波还是粒子,因为粒子也能解释这一现象,只要假设这种粒子具有旋转性就可以了。1907-1908年,一场关于X射线是波还是粒子的争论在巴克拉和英国物理学家亨利.布拉格(William Henry Bragg,1862-l942)(右图)之间展开。亨利.布拉格根据γ射线能使原子电离,在电场和磁场中不受偏转以及穿透力极强等事实,主张γ射线是由中性偶——电子和正电荷组成。他认为X射线也一样,并由此解释了已知的各种X射线现象。巴克拉坚持X射线的波动性。两人在科学期刊上展开了辩论,双方都有一些实验事实支持。这场争论虽然没有得出明确结论,但还是给科学界留下了深刻印象。巴克拉关于X射线的偏振实验和波动性观点可以说是后来劳厄发现X射线衍射的前奏。X-Ray-Spectra.gif (4247 字节)巴克拉最重要的贡献是发现了元素发出的X射线辐射都具有和该元素有关的特征谱线(也叫标识谱线)。巴克拉在实验中发现,不管元素已化合成什么化合物,它们总是发射一种硬度的X射线,当原子量增大时,标识X射线的穿透本领会随着增大。这说明X射线具有标识特定元素的特性。1909年,巴克拉和他的学生沙德勒(C.A.Sadler)在进一步的实验中发现,标识谱线其实并不均匀,它可以再分为硬的成分和软的成分。他们把硬的成分称为K线,把软的成分称为L线。每种元素都有其特定的K线和L线。这些谱线的吸收率与发射元素的原子量之间近似有线性关系,却跟普通光谱不同,不呈周期性。X射线标识谱线对建立原子结构理论极为重要。巴克拉由于发现标识X射线在1917年获得了诺贝尔物理学奖[4]。
晶体X射线衍射 当时,X射线究竟是微小的质点束,还是像光一样的波状辐射,一直悬而未决。有一种鉴定方法就是看X射线能否借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射(即改变射线方向)。要想得到适当的衍射,这些细线的间距必须大致与辐射线的波长大小相等。当时最密的人工衍射光栅,适用于一般光线。由X射线的穿透力得知,若X射线像波一样,则其波长要短得多——可能只有可见光波长的千分之一。制作如此精细的光栅完全是不可能的。德国物理学家劳厄(Max von Laue,1879-1960)(左图)想到,如果人工做不出这样的光栅,自然界中的晶体也许能行。晶体是一种几何形状整齐的固体,而在固体平面之间有特定的角度,并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体结构的原子有次序地排列的结果。一层原子和另一层原子之间的距离大约是X射线波长的大小。如果这样,晶体应能使X射线衍射。劳厄的老板,物理学家阿诺德.索末菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)(左图)认为这一想法荒诞不经,劝说他不要在这上面浪费时间。但到了1912年,两个学生证实了劳厄的预言。他们把一束X光射向硫化锌晶体,在感光版上捕捉到了散射现象,即后来所称的劳厄相片。感光版冲洗出来之后,他们发现了圆形排列的亮点和暗点—衍射图(右图)。劳厄证明了X光具有波的性质。《自然》杂志把这一发现称为“我们时代最伟大、意义最深远的发现”。劳厄证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性,发表了《X射线的干涉现象》一文。两年后,也就是1914年,这一发现为劳厄赢得了诺贝尔物理学奖[2]。 劳厄发现X射线衍射有两个重大意义。它表明了X射线是一种波,对X射线的认识迈出了关键的一步, 这样科学家就可以确定它们的波长,并制作仪器对不同的波长加以分辨(与可见光一样,X射线具有不同的波长)。另一方面,这一发现在第二个领域结出了更为丰硕的成果,第一次对晶体的空间点阵假说作出了实验验证,使晶体物理学发生了质的飞跃。一旦获得了波长一定的光束,研究人员就能利用X光来研究晶体光栅的空间排列:X射线晶体学成为在原子水平研究三维物质结构的首枚探测器。这一发现继佩兰(Perrin)的布朗运动实验之后,又一次向科学界提供证据,证明原子的真实性。此后,X射线学在理论和实验方法上飞速发展,形成了一门内容极其丰富、应用极其广泛的综合学科。
晶体结构分析 劳厄的文章发表不久,引起了英国布拉格父子的关注,当时老布拉格,即亨利.布拉格(William Henry Bragg 1862-1942)(右图)已是利兹大学的物理学教授,而小布拉格,即劳伦斯·布拉格(William Lawrence Bragg,1890-1971)(左图)刚从剑桥大学毕业,在卡文迪许实验室工作。由于都是X射线微粒论者,两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片,但他们的尝试未能取得成功。小布拉格经过反复研究,成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式,清楚地解释了X射线晶体衍射的形成,并提出著名的布拉格公式:2dsinθ=nλ。这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性,更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。1912年11月,小布位格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格于1913年1月设计出第一台X射线光谱仪(右图),并利用这台仪器,发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后,与其父亲合作,成功地测定出了金刚石的晶体结构,并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说非常重要,充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性,使其开始为物理学家和化学家普遍接受。布拉格父子因在用X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了1915年的诺贝尔物理学奖[3]。
热阴极管 X光管分为充气管和真空管两类。1895年 伦琴发现X射线时使用的是克鲁克斯发明的阴极射线管——即最早的充气X射线管,但因其功率小、寿命短、控制困难,应用不便。当时为了得到清晰的X光照片,甚至需要曝光一个小时以上。1912-1913年,美国科学家威廉.考林杰(William David Coolidge, 1873-1975)(左图)发明了热阴极管——即真空X射线管(右图)。它可提供可靠的电子束,改善线质和穿透性,避免了含气管的不稳定性。其阴极为直热式螺旋钨丝,阳极为铜块端面镶嵌的金属靶,管内真空度不低于10-4帕。阴极发射出的电子经数万至数十万伏高压加速后撞击靶面产生X射线,大大缩短了需要曝光的时间,为促进X射线的研究起了很大作用,还为发现肺病出了很大贡献。热阴极管以后又经过许多改进,至今仍在应用。
X射线光谱 1914年,英国物理学家莫塞莱(Henry Moseley,1887-1915)(左图)用布拉格X射线光谱仪研究不同元素的X射线,取得了重大成果。莫塞莱发现,以不同元素作为产生X射线的靶时,所产生的特征X射线的波长不同。他把各种元素按所产生的特征X射线的波长排列后,发现其次序与元素周期表中的次序一致,他称这个次序为原子序数,认为元素性质是其原子序数的周期函数。原子序数把各种元素基本上按原子量递增的顺序排列成一个系列,可是却比按原子量递增排列得到更合理的顺序。关于原子序数的发现被称为莫塞莱定律。瑞典物理学家卡尔.西格班(Karl Manne Georg Siegbahn,1886-1978)(右图)继承和发展了莫塞莱的研究,他改进了真空泵的设计,他设计的X射线管,可使曝光时间大大缩短,从而使他的测量精度大为提高。因此他能够对X射线谱系作出精确的分析。他测量波长的精确度比莫塞莱提高了1000倍。西格班的研究支持了玻尔等人把原子中电子按壳层排列的观点。他和他的同事还从各种元素的标识X辐射整理出系统的规律,对原子的电子壳层的能量和辐射条件建立了完整的知识,同时也为与之有关的现象作出量子理论解释建立了坚实的经验基础。西格班在他的《伦琴射线谱学》一书中对这方面的成果作了全面总结,成为一部经典的科学著作。西格班获得了1924年的诺贝尔物理学奖,成为继巴克拉之后,又一次因X射线学的贡献而获诺贝尔物理学奖的物理学家[5]。西格班的X射线谱仪测量精度非常之高,以至30年后还在许多方面得到应用。有意思的是:卡尔.西格班的儿子凯.西格班在57年后的1981年,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。X射线光电子谱 凯.西格班(Kai Manne Borje Siegbahn,1918- )(左图)一直从事核能谱的研究。20世纪50年代,他和同事们用双聚焦磁式能谱仪研究放射性能谱。当时,往往会因为回旋加速器的原因不得不停下来等待放射性样品。能否用一种更容易掌握的代用品来激发放射性辐射呢?凯.西格班设想用X射线管使材料发出光电子,然后再尽可能精确地测量其结合能。这种办法曾有人作过尝试,但灵敏度不高。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(Electron Spectroscopy 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。由于凯.西格班在电子能谱学方面的开创性工作,他获得了1981年诺贝尔物理学奖的一半[18]。
多晶体衍射 1916年,美籍荷兰物理学家、化学家德拜(Peter Joseph Wilhelm Debye,1884-1966)(左图)和瑞士物理学家谢乐(Paul Scherrer,1890-1969)发展了用X射线研究晶体结构的方法,采用粉末状的晶体代替较难制备的大块晶体。粉末状晶体样品经X射线照射后在照相底片上可得到同心圆环的衍射图样(德拜-谢乐环)(右图),可用于鉴定样品的成分,测定晶体结构。因当时正值第一次世界大战,信息交流受阻,1917年,美国科学家Hull也独立提出了这一方法。德拜因利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获1936年诺贝尔化学奖[7]。
散射 美国物理学家康普顿(Arthur Holy Compton,1892~1962)在大学生时期就跟随其兄卡尔·康普顿开始X射线的研究。后来他到了卡文迪什实验室,主要从事g射线的实验研究。他用精湛的实验技术精确测定了γ射线的波长,并确定γ射线在散射后波长会变得更长。但他没能从理论上解释这个实验事实。他到了美国华盛顿大学后,用X射线进行实验,检验用γ射线做的散射实验结果。他发现,晶体反射的单色X射线也能激发同样的现象,还发现这种X辐射具有偏振性。经过多次精细实验,康普顿得到了明确的结论,散射的波长比入射的波长更长,波长的改变量只决定于散射角。(左图为康普顿在X射线光谱仪前工作)1923年5月,康普顿用爱因斯坦的光子概念成功地解释了x 射线通过石墨时所发生的散射。他假设光子与电子在碰撞过程中既要遵守能量守恒又要遵守动量守恒,他按照这个思路列出方程后求出了散射前后的波长差,结果跟实验数据完全符合,这样就证实了他的假设。这种现象被称为康普顿效应。康普顿进一步证实了爱因斯坦的光子理论,揭示出光的二象性本质,从而导致了近代量子物理学的诞生和发展;另一方面康普顿效应也阐明了电磁辐射与物质相互作用的基本规律,从理论和实验上都具有极其深远的意义。康普顿于1927年与英国的物理学家威尔逊同获诺贝尔物理学奖[6]。
宇宙X射线源 所有的恒星包括太阳在内,都在不断地发射各种波长的电磁波,不仅有可见光而且还有人类肉眼看不见的X射线、伽玛射线等。由于X射线很容易被地球的大气层吸收,要探测来自宇宙空间的X射线,就必须把探测器放入太空中。二次世界大战结束后,美国缴获的德国V2火箭为美国研究宇宙X射线提供了可能。1949年由美国海军天文台弗里德曼(Herbert Friedman,1916-2000)(右图)领导的一个小组把盖革计数器放在V2火箭上发射升空,首次发现了来自太阳的X射线。但这样的仪器很难探测到来自更远恒星的X射线。美国科学家贾科尼(Riccardo Giacconi, 1931-)(左图)1960年提出了建造X射线望远镜的可能性。1962年贾科尼的研究组发现了第一个太阳系外的X射线源,命名为天蝎座X-1。不久又发现了另外两个X射线源,其中一个被证实为是蟹状星云。蟹状星云辐射的X射线能量比太阳高出100亿倍。由于火箭观测时间短,气球观测受升空高度限制只能测到能量较高的X射线,贾科尼在1963年建议用人造卫星进行X射线的巡天观测。1970年10月12日,贾科尼等设计的这样一颗人造卫星UHURU号升空(右图)。之后,又有9颗新的X射线人造卫星升空。到1972年,发现的X射线源迅速增加到339个,贾科尼等发表了大量的研究成果。1978年,贾科尼领导研制的高能天体物理观测台2号HEAO-2(High Energy Astronomy Observatory-2)发射升空,后更名为"爱因斯坦X射线观测台"(Einstein Gallery)(左图),这是世界上第一个宇宙X射线探测器。它携带有角分辨率为2角秒的X射线望远镜,首次提供了精确的宇宙X射线图像,第一个探测到了太阳系以外的X射线源,第一个证实了宇宙中存在X射线辐射背景,第一个探测到了可能来自黑洞的X射线。在此基础上科学家获得了大量新发现。
1976年,贾科尼设计了一台新的X射线望远镜。由于经费问题它直到1999年才发射升空,升空后更名为"钱德拉X射线观测台"(Chandra X-ray Observatory)。它功能强大总耗资15亿美元,对探测星系、类星体和恒星以及寻找黑洞、暗物质的踪迹有着非常重要的意义。贾科尼在“发现宇宙X射线源”方面取得的成就导致了X射线天文学的诞生,在光学波段之外又开辟了一个认识宇宙的窗口,使人们看到了一个布满X射线源的天空。贾科尼与在宇宙中微子探测方面作出杰出贡献的美国科学家戴维斯(Raymond Davis Jr., 1914-)以及日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba, 1926-)共同分享了2002年度诺贝尔物理学奖[23]。
产生X射线的方式主要有以下四种:X射线管、激光等离子体、同步辐射和X射线激光。X射线管 X射线管是利用高速电子撞击金属靶面产生X射线的电子器件,分为充气管和真空管两类。x-ray-tube.gif (7536 字节)1895年伦琴发现X射线时使用的克鲁克斯管就是最早的充气X射线管。1913年考林杰发明的真空X射线管的最大特点是钨灯丝加热到白炽状态以提供管电流所需的电子,调节灯丝的加热温度就可以控制管电流,可提高影像质量。1913年发明了在阳极靶面与阴极之间装有控制栅极的X射线管,在控制栅上施加脉冲调制,以控制X射线的输出和调整定时重复曝光,部分地消除了散射线,提高了影像的质量。1914年制成了钨酸镉荧光屏,开始了X射线透视的应用。1923年发明了双焦点X射线管,X射线管的功率可达几千瓦,矩形焦点的边长仅为几毫米,X射线影像质量大大提高。同时,造影剂的逐渐应用,使X射线的诊断范围也不断扩大。X射线管还广泛用于零件的无损检测,物质结构分析、光谱分析等方面。2002年,美国北卡罗来纳大学的华裔科学家卢健平等人为X射线源找到了新的方法。这种方法用碳纳米管制成“场发射阴极射线管”来发射高能电子,无须利用高温产生高能电子束,便能产生X射线。在室温条件下,一薄层碳纳米管就能产生高能电子束,一接通电源即可发射X射线,没有金属丝的预热过程。
激光等离子体光源激光等离子体光属于价格便宜、易于操作的光源,可以用于X射线显微术,象电子扫描显微镜一样作为实验室的常规分析工具。其基本原理是:当高强度(1014~1015 W/cm2)激光脉冲聚焦打在固体靶上时,靶的表面迅速离化形成高温高密度的等离子体,进而发射X射线。它是一种具有足够辐射强度的独立点光源,所用泵浦激光器主要有Nd:YAG,钕玻璃和KrF等。X射线发射与靶材料有关,由于溅射残屑可能损伤和污染光学系统和样品,若用气体靶代替固体靶可以避免残屑问题。因此,需要进一步研究开发有效的、高重复频率工作的、不产生残屑的激光等离子体X射线光源。
同步辐射光源 速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时,会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波(左图)。1947年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波,并称其为同步辐射,后来又称为同步辐射光。同步辐射最初是作为电子同步加速器的有害物而加以研究的,后来成为一种从红外到硬X射线范围内有着广泛应用的高性能光源。同步辐射光源是开展凝聚态物理、材料科学、生命科学、资源环境及微电子技术等多学科交叉前沿研究的重要平台。(右图为拥有近70条光束线的美国阿贡实验室同步辐射光源)同步辐射光源的主体是电子储存环,30多年来已经历了三代的发展。第一代同步辐射光源的电子储存环是为高能物理实验而设计的,只是“寄生”地利用从偏转磁铁引出的同步辐射光,故又称“兼用光源”;第二代同步辐射光源的电子储存环则是专门为使用同步辐射光而设计的,主要从偏转磁铁引出同步辐射光;第三代同步辐射光源的电子储存环对电子束发射度和大量使用插入件进行了优化设计,使电子束发射度比第二代小得多,同步辐射光的亮度大大提高,如加入波荡器等插入件可引出高亮度、部分相干的准单色光。同步辐射光具有频谱宽且连续可调(具有从远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱)、亮度高(第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上亿倍)、高准直度、高偏振性、高纯净性、窄脉冲、精确度高以及高稳定性、高通量、微束径、准相干等独特的性能。(左图为设计有30个光引出口的英国DIAMOND同步辐射光源)世界上有近40台同步辐射光源正在运行,还有几十台在设计、建造中。我国的北京同步辐射装置(BSRF)、合肥中国科技大学同步辐射装置(NSRL)和台湾新竹的同步辐射装置(SRRC)分别属于第一、第二和第三代光源,正在建造的上海光源(SSRF)属第三代光源。   (上左:BSRF平面图;上右:NSRL束线分布图)srrc-accel.jpg (27249 字节)(上左:SSRF平面图;上右:SRRC平面图)左图为建在BSRF的我国大陆第一条中能X射线双晶单色器光束线,该光束线用于中等能区X射线范围(1.2keV-6.0keV)的计量学、探测器标定、光学元件性能测试及吸收谱学等方面的研究,具有重要的科学意义。右图为北京同步辐射装置4W1A光束线形貌学实验站上能量为24keV的X射线拍摄的肝样品图像。
X射线激光 正因为X射线的应用越来越广泛,科学家着重研究增加X射线的强度。世界上第一个红宝石激光1960年问世以来,在X射线波段实现激光辐射就一直是激光研究的重要目标。X射线激光除了具有普通激光方向性强、发散度小的特点外,其单光子能量比传统的光学激光高上千倍,具有极强的穿透力。1981年,美国在地下核试验中进行核泵浦X射线激光实验获得成功,极大地推动了开展实验室X射线激光的研究。水窗的饱和X射线激光是目前唯一能够对生物活体细胞进行无损伤三维全息成像和显微成像的光源,借助于它有可能解开生命之谜。美、英、日、法、德、俄罗斯和中国等国的许多著名实验室都相继作了部署。1994年,美国利弗莫尔实验室用世界上功率最大的激光器的3000焦激光能量泵浦钇靶,产生了波长15.5纳米的饱和X射线激光。1996年底,中国旅英青年学者张杰领导的联合研究组,在英国卢瑟福实验室利用多路激光器轰击钐靶,在泵浦能量仅为150焦的情况下,成功地获得了波长为7.3纳米的X射线激光饱和增益输出,为在“水窗”波段实现增益饱和输出的X射线激光带来了巨大的希望。X射线自由电子激光 自由电子激光是一种以相对论优质电子束为工作媒介、在周期磁场中以受激辐射方式放大短波电磁辐射的强相干光源(其“周期磁场”由波荡器产生),具有波长范围大、波长易调节、亮度高、相干性好、脉冲可超短等突出优点,尤其是高增益短波长自由电子激光,普遍被看好是下一代光源的代表,具有巨大的发展潜力和重大的应用前景。(左图为德国DESY自由电子激光器的波荡器)目前,全世界有20多个能产生从红外线到紫外线各种波长激光的自由电子激光器已经投入使用或正在研制中。现在科学家正试图让其波长范围延伸到X射线。X射线自由电子激光能产生波长可调的,极高强度的飞秒相干光,可为各种体系的高空间分辨和时间分辨的动力学研究提供强有力的手段,将给物理、化学、材料科学、地质、生命科学和医学等多个学科的前沿研究带来突破,为人类对自然的认识打开全新的视野。利用它可对活细胞进行无损伤立体成像,直接观察细胞中的生命过程,为揭开生命之谜提供重要的工具。lcls.gif (10205 字节)利用它进行显微和光刻,可以大幅度地提高分辨率和精度。同时,也将对军事与工业的发展带来深远的影响。发展X射线自由电子激光具有前瞻性及战略意义。世界各科技强国均将X射线自由电子激光的研究列入了未来科技发展计划的重要内容,正在加紧研制的X射线自由电子激光器的能量将是现有设备的100亿倍。美国斯坦福直线加速器中心将于2009年率先推出“直线加速器相干光源(LCLS)”(右图),这个项目预算为3.79亿美元。位于汉堡的德国电子同步回旋加速器研究中心已研制出先进的紫外线自由电子激光器,并计划到2012年时推出欧洲的X射线自由电子激光器,预计成本为9.08亿欧元。日本也在开展类似的项目。如何用尽可能小的输入能量在尽可能短的波长上产生高增益X射线激光是当今各科技大国在该领域竞争的主要焦点。杨振宁先生从1997年5月开始先后8次给我国有关部门和有关领导写信,呼吁中国尽快开展X射线自由电子激光的预研究,我国政府和科学界对此给予了高度关注。高能所曾在1994年研制成功中红外波段的北京自由电子激光装置,在亚洲第一个实现了饱和出光(左图为北京自由电子激光装置)。自2000年起,在中国科学院、科技部、国家自然科学基金委的先后支持下,上海应用物理所、高能所和中国科技大学以及北京大学已联合开展深紫外自由电子激光的前期和预制研究工作。这些部署对于发展X射线自由电子激光仍过于薄弱,我国要跨越发展到X射线自由电子激光,还存在很多技术空白和技术难点,为了能在2015年左右建成我国的X射线自由电子激光装置,各项关键技术的研究及装置建设的方案论证工作正在进行中,装置的建设即将正式启动。 
X射线的特性及应用 科学家们逐渐揭示了X射线的本质,作为一种波长极短,能量很大的电磁波,X射线的波长比可见光的波长更短(约在0.001~100 纳米,医学上应用的X射线波长约在0.001~0.1 纳米之间),它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。因此,X射线除具有可见光的一般性质外,还具有自身的特性。正由于X射线的特性,使其在发现后不久,很快在物理学、工业、农业和医学上得到广泛的应用(右图为X射线探伤机),特别是在医学上,X射线技术已成为对疾病进行诊断和治疗的专门学科,在医疗卫生事业中占有重要地位。1.X射线的物理效应(1)穿透作用。X射线因其波长短,能量大,照在物质上时,仅一部分被物质所吸收,大部分经由原子间隙而透过,表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关,X射线的波长越短,光子的能量越大,穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关,利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。(左图为X射线行李检查仪)(2)电离作用。物质受X射线照射时,可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量,根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下,气体能够导电;某些物质可以发生化学反应;在有机体内可以诱发各种生物效应。(3)荧光作用。X射线波长很短不可见,但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时,可使物质发生荧光(可见光或紫外线),荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础,利用这种荧光作用可制成荧光屏,用作透视时观察X射线通过人体组织的影像,也可制成增感屏,用作摄影时增强胶片的感光量。(4)热作用。物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能,使物体温度升高。(5)干涉、衍射、反射、折射作用。这些作用在X射线显微镜(左图)、波长测定和物质结构分析中都得到应用。(右图为澳大利亚制造的新型X射线显微镜拍摄的物体内亚结构高分辨率图像)2.X射线的化学效应(1)感光作用。X射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比,当X射线通过人体时,因人体各组织的密度不同,对X射线量的吸收不同,胶片上所获得的感光度不同,从而获得X射线的影像。(2)着色作用。X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等,可使其结晶体脱水而改变颜色。3.X射线的生物效应X射线照射到生物机体时,可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死,致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞,对X射线有不同的敏感度,可用于治疗人体的某些疾病,特别是肿瘤的治疗(右图为治疗肿瘤的X刀)。在利用X射线的同时,人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍,白血病等射线伤害的问题,在应用X射线的同时,也应注意其对正常机体的伤害,注意采取防护措施。
与X射线相关的诺贝尔奖   从1901年获诺贝尔物理奖的伦琴开始,一个多世纪以来,因研究X射线技术、以及使用X射线进行研究、与X射线有关的研究而获得诺贝尔奖的已有多人,可见X射线在科技发展中占有的重要地位。以下统计可能不完全:[1]1901年,诺贝尔奖第一次颁发,伦琴就由于发现X射线而获得了诺贝尔物理学奖。[2]1914年,劳厄由于利用X射线通过晶体时的衍射,证明了晶体的原子点阵结构而获得诺贝尔物理学奖。[3]1915年,布拉格父子因在用X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了诺贝尔物理学奖。[4]1917年,巴克拉由于发现标识X射线获得诺贝尔物理学奖。[5]1924年,西格班因在X射线光谱学方面的贡献获得了诺贝尔物理学奖。[6]1927年,康普顿与威尔逊因发现X射线的粒子特性同获诺贝尔物理学奖。[7]1936年,德拜因利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获诺贝尔化学奖。[8]1946年,缪勒因发现X射线能人为地诱发遗传突变而获诺贝尔生理学.医学奖。[9]1954年,鲍林由于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(他的成就与X射线衍射研究密不可分)。[10]1962年,沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性分享了诺贝尔生理学.医学奖(他们的研究成果是在X射线衍射实验的基础上得到的)。[11]1962年,佩鲁茨和肯德鲁用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。[12]1964年,霍奇金因在运用X射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构取得的重大成果获诺贝尔化学奖。[13]1969年,哈塞尔与巴顿因提出“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(他们用X射线衍射分析法开展研究)。[14]1973年,威尔金森与费歇尔因对有机金属化学的研究卓有成效而共获诺贝尔化学奖。[15]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的重大贡献获得诺贝尔化学奖。[16]1979年,诺贝尔生理.医学奖破例地授给了对X射线断层成像仪(CT)作出特殊贡献的豪斯菲尔德和科马克这两位没有专门医学经历的科学家。[17]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。[18]1981年,凯.西格班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。[19]1982年,克卢格因在测定生物物质的结构方面的突出贡献而获诺贝尔化学奖。[20]1985年,豪普特曼与卡尔勒因发明晶体结构直接计算法,为探索新的分子结构和化学反应作出开创性的贡献而分享了诺贝尔化学奖。[21]1988年,戴森霍弗、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。[22]1997年,斯科与博耶和沃克因籍助同步辐射装置的X射线,在人体细胞内离子传输酶方面的研究成就而共获诺贝尔化学奖。[23]2002年,贾科尼因发现宇宙X射线源,与戴维斯、小柴昌俊共同分享了诺贝尔物理学奖。[24]2003年,阿格雷和麦金农因发现细胞膜水通道,以及对细胞膜离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献被授予诺贝尔化学奖(他们的成果用X射线晶体成像技术获得)。[25]2006年,科恩伯格被授予诺贝尔化学奖,以奖励他在“真核转录的分子基础”研究领域作出的贡献(他将X射线衍射技术结合放射自显影技术开展研究)。
诱发遗传突变   1927年,美国生物学家缪勒(Hermann Josepn Muller,1890~1967)(右图)在研究基因突变的过程中,用X射线照射了上百个果蝇,观察它们与未经照射的果蝇交配后所产生后代的变异。他意外地发现,X射线大大加速了果蝇的变异,并广泛地涉及到眼睛、刚毛、触角、翅膀、个体大小、活泼程度等各个方面。这些变异现象,显然是由基因突变引起的。人工诱发遗传突变获得成功,开辟了辐射遗传和人工诱变研究的新领域,在理论和实践上均有重大意义。缪勒的工作使他的老师摩尔根(T.H.Morgan)所创立的基因学说在实践上得到了发展,缪勒因发现X射线能人为地诱发遗传突变而被授予1946年诺贝尔生理学.医学奖[8]。缪勒最早指出放射线对人类的遗传有危害作用,他认为核(弹)试验的放射性尘埃能引起大量有害突变,可能殃及后代。
揭示DNA双螺旋结构   20世纪40年代末和50年代初,DNA被确认为遗传物质,它能携带遗传信息,能自我复制传递遗传信息,能让遗传信息得到表达以控制细胞活动,并能突变并保留突变。生物学家们面临的难题是:DNA是什么样的结构?当时主要有三个实验室在研究DNA分子模型。一是伦敦国王学院的威尔金斯(Maurice Wilkins,1916-2004)(左)、富兰克林(Rosalind Elsie Franklin,1920~1958)(左图)实验室,他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。当X射线照射到生物大分子的晶体时,晶格中的原子或分子会使射线发生偏转,根据得到的衍射图像,可以推测分子大致的结构和形状。英国女生物学家富兰克林最早认定DNA具有双螺旋结构。1952年5月,她运用X射线衍射技术拍摄到了清晰而优美的DNA照片(右图),照片表明DNA是由两条长链组成的双螺旋,宽度为20埃,这为探明其结构提供了重要依据。二是加州理工学院的莱纳斯.鲍林(Linus Carl Pauling,1901-1994)(左图)实验室。早在20世纪30年代初,鲍林对生物大分子结构研究产生了兴趣,最初的工作是对血红蛋白结构的确定。为了进一步精确测定蛋白质结构,他想到他早期从事的X射线衍射晶体结构测试的方法,将这种方法引入到蛋白质结构测定中,并且推导了经衍射图谱计算蛋白质中重原子坐标的公式。至今,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。1954年,鲍林由于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(他的成就与X射线衍射研究密不可分)[9]。三是沃森(James Watson,1928-)(左)和克里克(Francis Crick,1916-2004)(右)的研究小组。沃森1951年在剑桥大学做博士后,研究DNA分子结构,课题项目是研究烟草花叶病毒。克里克当时正在做博士论文,dna_image.jpg (64971 字节)论文题目是“多肽和蛋白质:X射线研究”。沃森需要克里克在X射线晶体衍射学方面的知识,他说服克里克参加DNA分子模型的研究。他们从1951年10月开始拼凑模型,几经尝试,终于在1953年3月获得了正确的模型。DNA双螺旋模型的发现,是20世纪最为重大的科学发现之一,也是生物学历史上惟一可与达尔文进化论相比的最重大的发现,它揭开了分子生物学的新篇章,人类从此开始进入改造、设计生命的征程。同时,它也是许多人共同奋斗的结果,克里克、威尔金斯、富兰克林和沃森,特别是克里克,是其中最为杰出的。沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性分享了1962年的诺贝尔生理学.医学奖(他们的研究成果是在X射线衍射实验的基础上得到的)[10]。
测定蛋白质晶体结构   英国生物化学家肯德鲁(John Cowdery Kendrew,1917-1997)(左)和佩鲁兹(Max Ferdinand Perutz,1914-)(右),用X射线衍射分析法研究血红蛋白和肌红蛋白。肯德鲁用特殊的X射线衍射技术及电子计算机技术描述肌球蛋白螺旋结构中氨基酸单位的排列,他与佩鲁茨共同研究X射线衍射晶体照相术,以及蛋白质和核酸的结构与功能。1960年,他们把一些蛋白质分子和衍射X射线效率特别高的大质量原子(如金或汞的原子)结合起来,首次精确地测定了蛋白质晶体的结构。佩鲁茨和肯德鲁分享了1962年的诺贝尔化学奖[11]。
测定生物分子结构   英国女化学家霍奇金(Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin,1910~1994)(左图)研究了数以百计固醇类物质的结构,其中包括维生素D2(钙化甾醇)和碘化胆固醇。她在运用X射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构的研究中取得了巨大成就。1949年她测定出青霉素的结构,促进了青霉素的大规模生产。1957年又成功测定出了抗恶性贫血的有效药物——维生素B12的巨大分子结构(右图),使合成维生素B12成为可能。由于霍奇金这两项成果意义重大,影响深远,她于1964年获诺贝尔化学奖[12],成为继居里夫人及其女儿伊伦·约里奥—居里之后,第三位获得诺贝尔化学奖的女科学家。
构象分析法  挪威化学家哈塞尔(Odd Hassell,1897-1981)(左)1930年开始研究环己烷及其衍生物的结构。20世纪50年代起,哈塞尔主要从事有机卤化物的结构研究,他用X射线衍射法研究结晶结构和分子结构,并测定电偶极矩,在确立用构象分析(分子的三维几何结构)把化学性状和分子结构系统联系方面的研究卓有成效。哈塞尔与英国化学家巴顿( Derek Harold Richard Barton,1918-1998)(右) 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,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]。
有机金属化学wilkinson-2.gif (3392 字节)   英国化学家威尔金森(Geoffrey Wilkinson,1921-)(左)主要研究领域为结构化学和有机金属化学。1951年发表了合成二茂铁的论文,后来通过化学与物理方法的综合研究及X射线结构分析,证明了二茂铁是一个具有夹心面包式结构的化合物,一个铁原子位于两个茂基之间,两个茂基的五碳平面环互相平行(右图)。他在从事金属与氢键合的研究中几乎合成了全部过渡金属的二茂夹心式化合物,还对过渡金属的羰基化合物、氢化物和羟基化合物进行研究。1964年,他发现了三氯化物均相加氢催化剂(通称威尔金森催化剂),在无机和有机化学中有广泛意义,并具有重要工业价值。德国化学家费歇尔(Ernst Otto Fischer,1918-)研究了二茂铁的结构,他提出了一种新的成键形式——夹心结构来说明其稳定性和磁性,并用X射线晶体分析法加以证实。1953年他的研究报告发表后引起了广泛的重视。他还预测了二苯铬夹心化合物的存在,于1954年合成了二苯铬,并测定了它的结构。威尔金森与费歇尔因对有机金属化学的研究卓有成效而共获1973年诺贝尔化学奖[14]。
硼化合物结构   美国物理化学家利普斯科姆(William Nunn Lipscomb,1919- ) 主要从事硼烷、碳硼烷结构的研究。他与同事们发展并应用了低温X射线衍射和核磁共振等方法,得到了许多硼氢化合物和硼烷的分子结构图。他们的方法在生物化学的研究中也得到了应用。1963年他发表了专著《硼的氢化物》。由于他在研究硼化合物的结构及成键规律以及化学键一般性质方面的成就,获得1976年诺贝尔化学奖[15]。
X射线断层照相   利用X射线穿透后物质的性能与被穿透的物质种类有关的特性,创立了X射线影像诊断技术。例如,当X射线穿透人体时,骨骼吸收的X射线量比肌肉吸收的要多,通过后的X射线量不一样,携带了人体各部密度分布的信息,在荧光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱不同,因而显示出不同密度的阴影。医生可根据阴影浓淡的对比,结合临床表现、化验结果和病理诊断,判断人体某一部分是否正常。X射线诊断技术是世界上最早应用的人体非创伤性内脏检查技术。但这种X射线照相无法解决前后物体的图像重叠问题。1917年,奥地利数学家雷唐提出过用高度准直、极细笔状X射线束,环绕人体某一部分作断层扫描。未被吸收的光子穿透人体后被检测器接收,这些模拟信号经过数据处理和运算后可重建图像,这就是断层照相的基本思想。可惜他的论文在发表后的50多年里被湮没了,直至20世纪70年代初才发现。此后,在数学家们提出的各种对断面扫描数据处理的运算方法中,贡献最大的是美国理论物理学家科马克(Alan MacLeod Cormack,1924-1998)(左图)。1955年,在开普敦大学物理系教理论物理学的科马克对癌的放射治疗和诊断产生了兴趣。他发现医生在计算放射剂量时,把非均质的人体当作均质看待。他认为应把人体构造和组成特征用一系列前后相继的切面图像表现出来。经过近10年的努力,他终于解决了计算机断层扫描技术的理论问题。豪斯菲尔德1963年,他首先建议用X射线扫描进行图像重建,并提出了精确的数学推算方法。20世纪70年代,英国EMI公司的工程师豪斯菲尔德(N.Hounsfield,1919-2004)(右图)在参考科马克发表的应用数学重建图像理论的基础上,把电子计算机断层照相技术引入医学,使电子计算机技术与X射线机相结合,完成图像重建过程。1971年,豪斯菲尔德研制成功的世界上第一台X射线计算机断层扫描机(Computerized Tomography,简称CT)在伦敦一家医院正式安装使用。X射线管在置在患者上方, 绕检查部位旋转, 患者下方的计数器也同时旋转。由于人体器官和组织对X射线的吸收程度不同,病变组织和正常组织对X射线的吸收程度也不同,这些差别反映在计数器上, 经电子计算机处理,便构成了探测对象各个部位的横断图像呈现在荧光屏上,它解决了X射线照相的前后物体图像重叠问题,大大提高了医学诊断的可靠性和准确性,使医学成像技术向前跨了一大步。豪斯菲尔德与神经放射学家阿姆勃劳斯合作,成功地为一名英国妇女诊断出脑部的肿瘤,获得了第一例脑肿瘤的照片。他们在英国放射学会上发表了第一篇论文,1973年英国放射学杂志对此作了正式报道,这篇论文受到了医学界的高度重视,被誉为“放射诊断学史上又一个里程碑”,从此,放射诊断学进人了CT时代。1979年的诺贝尔生理.医学奖破例地授给了豪斯菲尔德和科马克这两位没有专门医学经历的科学家[16]。最早的CT  机使用单束X 射线,配有1~2  个检测器,扫描时X  射线管每次仅转动1°,完成一次扫描需4~5 分钟。第二代CT  机采用两束X射线构成10°~20°的扇形束,  配有20~30  个检测器,  每次扫描只需30~120秒。第三代CT 机由多个X 射线管组成30°的扇形束,  用250~350个检测器,每次扫描只需2.5秒。第四代CT机用多个X射线管组成50°的扇形束,  用600~2400个检测器排列成环状,扫描时间仅1秒(右图为第四代CT机扫描结构)。CT机正向第五代过渡,只要1/100 秒就可捕捉到人体生理活动的动态信息。
现代基因工程   英国生物化学家桑格(Frederick Sanger,1918-)(左)1955年研究确定了牛胰岛素的化学结构,从而奠定了合成胰岛素的基础,并促进了对蛋白质分子结构的研究。1958年桑格因确定胰岛素的分子结构而获得诺贝尔化学奖。22年后,桑格借助于x射线分析法与美国生物化学家吉尔伯特(Walter Gilbert,1932-)(右)、·美国生物化学家伯格(Paul Berg,1926- )(右右)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1980年诺贝尔化学奖[17]。
显微影像重组   1968年,英籍南非生物化学家克卢格(Aaron Klug,1926-) 将X射线衍射法和电子显微镜技术结合起来,发明了显微影像重组技术,并用这种技术揭示了病毒和细胞内重要遗传物质的详细结构。这种技术是把一种结晶物质的电子显微照片置于激光下曝光,当激光照在底片的图象上时,它便发生衍射或散射,再用这无数小点形成的图样制出比电子显微照片上的图象更详细的图象来。他利用晶体的各个“面”的若干个这样的二维图象,形成一个生物大分子结构的立体图象。此项技术可用来研究那些由于分子太大而不能用 X射线晶体学来研究的结构,为测定生物大分子结构研究开创了一条新路。克卢格用此技术确定杆状烟叶花叶病毒是由100多个圆片以核糖核酸为中心堆叠而成的。他指出,这些“球形”病毒的图象,同能引起小儿麻痹症和疣的病毒一样,它们的结构都有20个面。克卢格及其剑桥大学的同事们还研究了转移核糖核酸的螺旋结构及其在动物细胞中的作用。克卢格因在测定生物物质的结构方面的突出贡献而获得1982年诺贝尔化学奖[19]。
晶体结构直接计算法   美国晶体学家豪普特曼(Herbert Aaron Hauptman,1917-) 和美国物理学家卡尔勒(Jerome Karle,1918-)主要从事X射线晶体学中的相角问题和矩阵理论的研究。X射线衍射是研究晶体结构的重要手段,20世纪50年代以来,豪普特曼和卡尔勒用统计数学方法研究了晶体的衍射数据,发现其中隐含有相角的信息。经过大量的工作,推导出衍射线相角的关系式,可直接从衍射强度的统计中得到各衍射线相角的信息,这就是晶体学结构的直接计算法。1950-1955年间,他们用这种方法确定了5-6种分子结构。到了70年代,借助先进的电子计算机运算,不用假设就能迅速确定分子的化学结构。他们的成果为探索新的分子结构和化学反应提供了基本方法,为分子晶体结构测定作出了开创性的贡献,豪普特曼与卡尔勒同获1985年诺贝尔化学奖[20]。
光合作用反应中心的立体结构   德国科学家胡伯尔(Robert Huber,1937-)(左图)1972年在德国马克斯·普朗克学会研究所建立了蛋白质结晶学研究室,为生物巨分子膜结构与功能的理解做出了重要的贡献。他对于资料收集的仪器和蛋白质结晶学的方法,特别是Patterson方法、图解方法和精制,对于电子富含金属簇的用途和最新的结晶改进的方法和仪器做出了贡献。戴森霍弗(Johann Deisehofer,1937-)(左)对结晶体结构学具有丰富的经验,也是计算及科学方面强有力的学者。米歇尔 (Hartnut Michel,1948-)(右) 1981年7月底成功地从视紫红蛋白中获得了世界上第一个膜蛋白晶体—紫色光合细菌的光合作用反应中心的晶体,并以3埃的高精确度确定了该反应中心的三维结构。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[21]。
人体细胞内的离子传输酶    20世纪50年代初,美国生物化学家博耶(Paul D.Boyer,1918-)(左图)发现细胞形成三磷酸腺苷的过程发生在动物细胞的线粒体中。1961年,英国化学家米切尔认为,形成三磷酸腺苷所需的能量是氢离子沿着其浓度梯度的方向穿过线粒体膜时提供的(米切尔为此获1978年诺贝尔化学奖)。博耶的研究集中于三磷酸腺苷合酶(大多数生物的主要产能分子,这种分子有助于三磷酸腺苷这种化学能量载体的合成),他假设一种不平常的机制来解释三磷酸腺苷合酶的特性,被称做“束缚转变机制”。英国化学家沃克(John Emest Walker,1941-)(右图)于20世纪80年代初开始研究三磷酸腺苷合酶,他的研究重点在酶的化学成分和结构上。他确定了构成合酶蛋白质单元的氨基酸的序列。90年代,沃克与X射线结晶学家一起籍助同步辐射装置的X射线研究生物分子的结构与功能,澄清了酶的三维结构,取得了突破性的成就。他的研究工作支持了博耶的“束缚转变机制”。丹麦生物化学家斯科(Jens C.Skou,1918-)(左图)于20世纪50年代后期在动物细胞的质膜中发现了钠钾ATP酶。束缚于细胞膜的钠钾ATP酶被外部的钾和内部的钠所激活,酶将钠泵出细胞并将钾泵入细胞,从而维持相对于周围外部环境的细胞内部的高钾浓度和低钠浓度。斯科与博耶和沃克因对人体细胞内的离子传输酶方面的成就而分享1997年诺贝尔化学奖[22]。
细胞膜水通道及离子通道结构   水溶液占人体重量的70%,生物体内的水溶液主要由水分子和各种离子组成,它们在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的很多功能。20世纪50年代中期,科学家发现细胞膜中存在着某种通道只允许水分子出入,人们称之为水通道。因为水对于生命至关重要,可以说水通道是最重要的一种细胞膜通道,但水通道到底是什么一直是个谜。20世纪80年代中期,美国科学家阿格雷(Peter Agre,1949-)(左图)研究了不同的细胞膜蛋白,发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。2000年,阿格雷与其他研究人员一起公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片(右右)。照片揭示了这种蛋白的特殊结构只允许水分子通过。奥斯特瓦尔德(1909年诺贝尔化学奖获得者)在1890年就推测离子进出细胞会传递信息。20世纪20年代,科学家证实了存在一些供离子出入的细胞膜通道。50年代初,霍奇金和哈克斯利发现离子从一个神经细胞中出来进入另一个神经细胞可以传递信息,他们获得了1963年诺贝尔生理学.医学奖,但那时还不了解离子通道的结构和工作原理。1998年,美国科学家麦金农(Roderick MacKinnon,1956-)(左图)在美国康奈尔大学的同步辐射装置CESR(简介)上利用X射线晶体成像技术获得了世界第一张离子通道的高清晰度照片(右右),并第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理。这张照片上的离子通道取自青链霉菌,也是一种蛋白。麦金农的方法是革命性的,它可以让科学家观测离子在进入离子通道前的状态,在通道中的状态,以及穿过通道后的状态。对水通道和离子通道的研究意义重大。阿格雷和麦金农被授予2003年诺贝尔化学奖[24],分别表彰他们发现细胞膜水通道,以及对细胞膜离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献。他们的发现对人类探索肾脏、心脏、肌肉和神经系统等方面的诸多疾病具有极其重要的意义。诺贝尔科学奖通常只颁发给年龄较大的科学家,获奖成果都需经过几十年的检验。但阿格雷获奖时只有54岁,而麦金农才47岁,他们的研究成果也比较新,这在诺贝尔科学奖历史上也属罕见,显示出当代科学跨领域研究的趋势。
捕捉脱氧核糖核酸(DNA)的复制过程   基因中遗传信息的转录和复制是地球上所有生物生存和发展必然经历的过程,美国科学家科恩伯格(Roger Kornberg,1947-)(左图)第一个成功地将脱氧核糖核酸(DNA)的复制过程捕捉下来(右下图)。布拉格父子因发明X射线晶体结构分析法共同获得了1915年的诺贝尔物理学奖。科恩伯格的父亲亚瑟(Arthur Kornberg,1918-)因研究出DNA合成过程的细节而获得了1959年的诺贝尔生理学.医学奖,当年只有12岁的科恩伯格曾跟随父亲前往斯德哥尔摩参加诺贝尔奖的颁奖仪式。科恩伯格从20世纪70年代开始使用X射线衍射技术结合放射自显影技术开展研究。他在美国斯坦福直线加速器中心SLAC(简介)的同步辐射装置SSRL上进行实验,研究遗传信息最初复制到RNA中的过程,对此过程中各个阶段的DNA、RNA和聚合酶的复合体进行结晶,用X射线拍下各个阶段的复合体的照片,揭示了真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质,为破译生命的隐秘做出了重大贡献。科恩伯格被授予2006年诺贝尔化学奖[25],以奖励他在“真核转录的分子基础”研究领域作出的贡献。
 

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