威廉·劳伦斯·布拉格

威廉·劳伦斯·布拉格（英语：William Lawrence Bragg，1890年3月31日—1971年7月1日），是出生在澳大利亚的英国物理学家和 X 射线晶体学家，25岁时与父亲威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg），因“通过X射线分析晶体结构所作出的贡献”共同获得了1915年诺贝尔物理学奖，截至 2024年，他是物理学领域有史以来最年轻的诺贝尔奖获得者。^[1]^[6]

劳伦斯·布拉格在1908年获澳大利亚阿德莱德大学文学硕士学位，1912年获英国剑桥大学文学硕士学位，同年秋天，他开始研究劳厄（Max von Laue）发现的X射线衍射现象，并于11月在《剑桥哲学学会学报》上发表了关于这个课题的第一篇论文。1914年劳伦斯·布拉格被选为三一学院自然科学研究员和讲师，同年荣获巴纳德奖章。1912年到1914年，他和父亲亨利·布拉格一起研究晶体学领域并在1915年将研究成果以摘要形式发表，因此获得1915年的诺贝尔物理学奖。父子二人的研究因第一次世界大战而中断，一战期间劳伦斯·布拉格在法国北部的一个声音测距部队担任军官，进行水听器研究探测敌人的潜艇。1919年劳伦斯·布拉格去了曼彻斯特大，成立了一个重要的晶体学研究小组，在那一直工作到1937年。随后他又在国家物理实验室（NPL）短暂工作了一段时间。1938年，劳伦斯·布拉格被任命为剑桥卡文迪什实验室的负责人，从1938年到1953年他一直在那里工作。在这个职位上，他激发了许多伟大科学家的研究，包括诺贝尔奖得主马克斯·佩鲁茨、约翰·肯德鲁、弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森。1954年，他被任命为英国皇家学会的成员，直到1966年退休。^[7]1971年7月1日，他于沃尔德林菲尔德家中附近的医院去世，享年81岁。^[8]

劳伦斯·布拉格的主要著作有《X射线和晶体结构》《结晶态》《矿物的原子结构》《X射线分析的进展》和《晶体对X射线的衍射》。^[9]他和他的父亲亨利·布拉格创立了X射线晶体结构分析，利用X射线系统地探测晶体结构。^[2]后来他开始研究应用X射线分析蛋白质分子的结构，第一次确定了生命物质极其复杂的分子结构，并培养了许多诺贝尔奖得主。他获得了柏林大学等9所大学的荣誉科学博士学位、科隆大学的荣誉哲学博士学位以及圣安得鲁斯大学的荣誉法律博士学位。他是英国很多团体的名誉成员，同时又是美、法、中等国的科学院名誉院士，还是法国矿物和结晶学会名誉会员。^[1]

早年生活

1890年3月13日，劳伦斯·布拉格出生于南澳大利亚的阿德莱德，其父亲亨利·布拉格23岁时就当上了阿德莱德大学物理学教授，其母亲格温多琳（Gwendoline）是南澳大利亚邮政总长、天文学家托德爵士（Sir Charles Todd）的女儿。劳伦斯·布拉格从小就生活在科学气氛浓厚的家庭里，家境优越，接受到了良好教育，得到父母的启蒙。劳伦斯·布拉格在学校里很早就显示出数学思维的天赋，除了对数学有浓厚的兴趣外，他还特别喜爱化学课中的实验，化学老师经常让他帮助做课堂的演示实验，使他开始接触科学实验，并对科学方法产生极大的兴趣。^[2]^[10]

1900年，布拉格在阿德莱德北皇后学校就读，1905年，他进入阿德莱德大学学习数学和物理学。当时他父亲威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）正在研究X射线射程问题，经常与他谈论有关的研究情况，使他在学生时代就接触到一些科学前沿问题。^[2]^[10]1908年，劳伦斯·布拉格以优等成绩获得数学学士学位。同年，他父亲接受了利兹大学的卡文迪许物理学讲座，并将家人带到了英国。1909年秋，布拉格进入剑桥大学三一学院，并获得了数学专业奖学金，后来在学业后期，他转入物理课程，^[1]^[4]只用了一年时间就学完了全部必修的物理课程，并于1912年在自然科学考试中获优等成绩。^[2]^[11]

获得诺贝尔奖

1912年，德国物理学家马克思·冯·劳厄（Max von Laue）关于X射线衍射的论文发表之后不久，就引起了布拉格父子的关注。当时，亨利·布拉格正在利兹大学当物理学教授，劳伦斯·布拉格则刚从剑桥大学毕业，留在卡文迪什实验室，^[1]在他的导师约瑟夫·约翰·汤姆孙爵士（Sir Joseph John Thomson，简称J. J.Thomson）的指导下从事科学研究工作。开始时，劳伦斯·布拉格主要围绕离子在各种气体中的迁移率进行研究，同时他经常利用假期到他父亲在利兹大学的实验室里工作，在这里有他的父亲亲自安装的X射线设备。劳伦斯·布拉格通过操作，不但熟悉了有关的设备，还帮助父亲做过一些实验。^[2]1912年暑期，布拉格一家在约克郡的海滨度假时，父子俩便围绕着劳厄的论文讨论了起来。劳伦斯·布拉格提出了关键性的布拉格方程，他肯定X射线是波，而不是粒子。亨利很快修正了自己的观点，并且建议儿子进一步深入研究这一问题。^[2]

劳伦斯·布拉格于1912年11月11日在剑桥大学哲学学会上宣读的论文《晶体对短波长电磁波的衍射》很快就在《剑桥哲学学会学报》上发表，并引起了广泛注意。随后，劳伦斯·布拉格在剑桥大学化学系珀普教授的指点下，用结构较为简单的碱金属卤化物作进一步的研究。他拍摄到了这些碱金属卤化物的X射线衍射照片，结果表明其衍射图确实比闪锌矿简单。劳伦斯·布拉格就在这一基础上成功地对碱金属卤化物进行了完整的晶体结构分析构。到1913年底，布拉格父子两人已把晶体结构分析问题总结成了标准的步骤，X射线晶体结构分析形成了一门崭新的分析技术。^[1]劳伦斯·布拉格和他父亲合作或独立完成了一系列无机晶体结构的测定，其研究成果在1915年以摘要形式发表，题为《X射线和晶体结构》，^[2]父子二人并于此年因为“通过X射线分析晶体结构所作出的贡献”共同获得了1915年诺贝尔物理学奖。^[1]^[12]^[4]

一战期间

从1915年到1919年，劳伦斯·布拉格担任法国声波测绘地图总局的技术顾问。^[13]1915年9月2日，他的兄弟在加里波利战役中阵亡。^[14]^[15]不久之后，他和他的父亲被授予诺贝尔物理学奖。一战期间，他作为民间顾问使用了热线声音测距，当时声音测距的问题在于重型火炮的声音频率太低，无法被麦克风探测到。经过数月的尝试后，他和他的团队设计出了一个解决问题的热丝空气波探测器。他研究的声音测距非常有效，每支英国军队都应用了。并且美国人在参战时也采用了他们的系统。^[13]^[16]^[17]由于他在战争期间的突出贡献，他于1918年获得大英帝国勋章和军功十字勋章。同时他还于1916年6月13 日、1917年1月2日和1919年7月4日三次在《伦敦公报》上被点名表彰。^[18]^[19]

一战后时期

1919年至1937年，劳伦斯·布拉格一直曼彻斯特大学的兰沃西荣誉物理学教授，并于1921年被选为皇家学会会员，同年与性格活泼富有魅力的爱丽丝·格雷斯·珍妮·霍普金森（A.G.J.Hopkinson）结婚，她的父亲是玻尔一家的家庭医生，他们婚姻非常幸福，并育有四个孩子。^[4]^[3]

后来，布拉格的兴趣转向了其他领域，1925年，他解释了硅酸盐的结构。1936年，劳伦斯·布拉格在康奈尔大学的贝克讲座中，给出了他在不同的几何特征基础上建立的硅酸盐化学系统的总结，其后，他处理了冶金学中的多晶型现象和相变问题，找到了由贝特和派耳斯首先提出的长程和短程之间的差别。为使几何位错具体化，布拉格经常采用合适的泡筏金属模型。^[4]

二战时期

1937年至1938年，劳伦斯担任英国国家物理实验室主任，然而，管理和委员会占去了他大部分时间，使他无法专心于工作。1938年，卢瑟福去世后，委员会任命劳伦斯·布拉格为接替卡文迪许实验室主任的下一位候选人。该实验室在原子物理学领域有着卓越的历史，一些成员对晶体学家持谨慎态度，但布拉格通过公正的管理克服了这一障碍。他致力于改进衍射图样的解释。在小型晶体学研究小组中有一位来自维也纳的难民学生马克斯·佩鲁茨，他正在研究血红蛋白晶体的结构，他向布拉格展示了血红蛋白的 X 射线衍射数据，这表明巨大生物分子的结构可能被解读。布拉格任命佩鲁茨为他的研究助理，并获得了来自洛克菲勒基金会的额外支持，这项工作在第二次世界大战期间暂停，当时佩鲁茨被拘留为敌国外国人，然后从事军事研究。^[20]^[21]^[22]1941年，布拉格在加拿大担任了6个月的科学联络官。他还组织了定期的 X 射线分析会议，在军事研究中被广泛使用。^[22]^[23]

二战后时期

1946年，劳伦斯·布拉格获得皇家学会的皇家奖章，^[21]同年，劳伦斯·布拉格于重新组织了卡文迪许实验室，将其分为单位，以反映他的信念，即“理想的研究单位应该是由六到十二名科学家和几名助手组成，再加上一名或多名一流的仪器技工和一个能够制造一般设备的车间。”现在，高级职员有了办公室、电话和秘书支持。该部门的范围扩大，增设了一个新的射电天文学部分。布拉格的工作集中在金属结构上，同时使用 X 射线和电子显微镜。^[24]1947年，他说服医学研究理事会（MRC）支持他所描述的“英勇尝试”，即分子生物学实验室的蛋白质结构研究，最初由佩鲁茨、约翰·肯德鲁和两名助手组成，布拉格与他们合作一直到 1960 年成功解析了肌红蛋白的原子水平结构，在此之后，布拉格参与较少；1948年，他协助建成了晶体学国际联盟并担任第一任主席，^[4]同年，他获得美国矿物学会的罗布林奖章。^[25]^[26]

布拉格在1953年4月8日比利时蛋白质索尔维会议上宣布了詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克解码 DNA 的结构这一发现，他在1953年5月14日星期四在伦敦盖伊医院医学院发表了演讲，导致了里奇·卡尔德在1953年5月15日星期五的伦敦新闻纪事报上发表的一篇文章，标题为“你为什么是你。生命的更近秘密”。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；威尔金斯的份额认可了伦敦国王学院 X 射线晶体学家的贡献。其中包括罗莎琳德·富兰克林，她的“51号照片”显示 DNA 是双螺旋结构，而不是林纳斯·鲍林所提出的三螺旋结构。富兰克林在奖项颁发之前去世了（奖项只颁发给在世人士）^[25]^[27]

退休去世

劳伦斯·布拉格在与皇家学会的长期合作中，曾担任多种职位，在1938年至1953年担任自然哲学教授，在1954年至1966年同时担任富勒化学教授、戴维·法拉第研究实验室主任以及房屋总监，并在1965–1966年期间担任皇家学会主任，1966年至1971年获得名誉教授。^[2]1966年11月，76岁的布拉格退休了，他被授予了英国皇家学会的科普利奖章。正式退休后，布拉格大部分时间都住在伦敦，作为名誉教授，他继续在皇家学院还在其他地方演讲，写了很多东西，参观了之前工作过的实验室。1967年，他被授予了英国皇家学会的荣誉勋章。1971年7月1日，他于沃尔德林菲尔德家中附近的医院去世，享年81岁。^[8]

主要成就

威廉·劳伦斯·布拉格于1912年秋开始深入研究马克思·冯·劳厄所发现的X射线衍射现象，同年11月在《剑桥哲学学会学报》上率先发表了相关论文。随后，他与父亲共同研究，并于1915年以摘要形式发表了题为“X射线和晶体结构”的论文，该论文不仅创立了X射线晶体结构分析，还提出了晶体衍射理论，建立了布拉格公式，并对X射线分光计进行了改进。此外，他还与父亲合著了多篇关于晶体结构的科学论文，包括《结晶状态》（1934年）、《电学》（1936年）和《矿物的原子结构》（1937年）。^[2]

后来，威廉·劳伦斯·布拉格的主要研究方向转向了利用X射线分析蛋白质分子结构，这项研究首先在剑桥大学的卡文迪什实验室进行，随后在皇家研究所戴维·法拉第实验室继续深化。他的研究取得了显著成果，首次揭示了生命物质中极其复杂的分子结构。^[3]^[27]

布拉格方程

布拉格方程是劳伦斯和父亲为研究晶体结构创造的方法，开辟了X射线晶体结构分析学这一新领城，使人们在认识和分析晶体结构的研究中又向前迈进了一大步。^[12]1912年，劳伦斯摆脱了劳厄的特定波长的假设，利用原子面反射的概念，如下图：^[2]

成功地解释了劳厄的实验事实。他以更为简洁的方式清楚地解释了 X射线晶体衍射的形成，提出了著名的布拉格方程，即，。^[2]

布拉格方程描述了X射线在晶体中的衍射规律，其中，n是一整数，是X射线的波长，d是原子面的间距，是射线的掠射角。X射线的波长、入射角以及晶面间距d之间的基本关系，是晶体衍射的理论基础。它给出了受到电磁辐射和粒子波照射时，晶体内原子平面间隔与在该平面上产生最强反射的入射角之间的关系，根据这个方程，人们可以利用已知波长的X射线去照射未知结构的晶体，通过衍射图样来揭示晶体的结构。或者利用结构已知的晶体来反射X射线，以求得X射线的波长。^[3]

用X射线研究晶体结构

劳伦斯·布拉格与他父亲一起创立了X射线晶体学。在早期工作中，他们父子证明了象氯化钠这种晶体，其中并不包含实际的氯化钠分子，而只是在几何上规则排列的氛离子和钠离子。这一发现使得理论化学发生了一次革命，特别是对德拜关于离子离解的处理产生了巨大的影响。^[4]

劳伦斯·布拉格提出，衍射斑的强度同时与反射X射线的能量和反射面的有效原子密度这两个因素有关。因此，照片上衍射斑的强度就应该按照对应的反射X射线能量和反射面的有效原子密度的变化形成规则的变化序列。换句话说，衍射斑强度的变化标志着对应的反射线能量和反射面原子密度的变化。对于闪锌矿衍射的情况，他先假设是简单的立方晶体，计算下来发现结果不对，乃改为面心立方晶体进行计算，所得结果正好说明了为什么劳厄照片中有些斑点消失了，这样一来，不仅证明了反射面的假设是正确的，而且由此证明了能够用X射线来获得晶体结构特性的信息。^[2]

晶体图样的极限排列成空间点阵。在整个结构中，每个极限都是以相同的方式一再重复，在各个方向上的间隔都有规则。用X射线分析晶体结构时，首先需要得出空间点阵的晶胞的大小，晶胞的各边都有简单的平移。可以假设晶体结构经历了这种变化而达到自洽。这并不难做到。我们求出波长为已知的单色X射线来被不同晶面反射的角度，只要满足布拉格方程，反射就会发生。与任意实验晶面平行的晶面问隔d可以通过测量反射角θ来求得。晶胞的大小可通过测量数个平面的d来求得。确定了晶胞的大小之后，就可以算出在晶胞内有多少原子分子，用来作为确定晶体密度和每个分子质量的数据。分析工作的第二步是确定原子聚合在一起构成各单元结构的方式。分析的方法可以用衍射光栅获得的光谱的类比来说明。原子的严格的有规则排列可以从不同平面和不同顺序反射出的光强度的比较推导出来。^[12]

其他成就

劳伦斯后来的主要兴趣是应用X射线分析蛋白质分子的结构，这项工作先是在剑桥大学的卡文迪什实验室进行，后来他在皇家研究所戴维·法拉第实验室时继续了这项研究，这项研究获得了巨大成功，第一次确定了生命物质极其复杂的分子结构。并且，由于其敏锐的观察力与分辨力，他非常了不起地发现了一个新的贝壳品种，该品种以他的名字命名。^[3]

主要论著

1912年11月，劳伦斯·布拉格发表了《晶体对短波长电磁波的衍射》，提出了关键性的“布拉格方程”，解释了X射线晶体衍射的形成，证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。劳伦斯和他父亲亨利在1915年发表了著名的论文《X射线和晶体结构》，后又合写了许多关于晶体结构的科学论文，于1934年著《结晶状态》，1936年写作《电学》，1927年写成《矿物的原子结构》等。^[3]^[9]

荣誉与奖励

时间荣誉表彰1915年哥伦比亚大学巴纳德奖章^[28]1915年意大利马泰乌奇奖章^[3]1915年诺贝尔物理学奖^[1]1918年大英帝国勋章^[4]1918年英国军功十字勋章^[4]1921年英国皇家学会院士^[4]1931年英国皇家学会休斯奖章^[1]1941年英国爵士^[3]1946年英国皇家学会皇家奖章^[2]1948年美国矿物学会的罗布林奖章^[2]1966年英国皇家协会科普利奖章^[3]1967年英国皇家学会名誉勋位^[3]

除此之外，劳伦斯·布拉格还先后获得了美国、法国、瑞典、中国、荷兰、比利时等国科学院名誉院士、法国矿物和结晶学会名誉会员、都柏林大学、利兹大学、曼彻斯特大学、里斯本大学、巴黎大学、布鲁塞尔大学、列日大学、达勒姆大学的荣誉科学博士学位、科隆大学荣誉哲学博士学位以及圣安得鲁斯大学荣誉法律博士学位。^[1]

社会任职

时间	职位
1915年—1919年	法国声波测绘地图总局技术顾问^[4]
1919年—1937年	曼彻斯特大学的兰沃西荣誉物理学教授^[4]
1937年—1938年	英国国家物理实验室主任^[4]
1938年—1953年	剑桥大学卡文迪许实验室主任、物理学教授^[4]
1942年	科学联络官^[22]
1948年	晶体学国际联盟第一任主席^[4]
1958年—1960年	频率顾问委员会^[3]

关系	名字	简介
父亲	威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）	1915年诺贝尔物理学奖，英国爵士、功绩勋章的获得者、皇家学会会员^[1]^[32]
母亲	格温多琳（Gwendoline Todd）	事迹不详^[5]^[33]
配偶	霍普金森（A.G.J.Hopkinson）	二战结束后担任剑桥市市长，后来在政府任职，担任监察委员会和地方法官^[31]
子女	斯蒂芬（Stephen）	事迹不详^[4]
戴维（David）	事迹不详^[4]
玛格丽特（Margaret）	事迹不详^[4]
佩兴斯（Patience）	事迹不详^[4]

后世纪念

1.1965年12月，在斯德哥尔摩举行了庆贺他获得诺贝尔奖50周年典礼。^[3]

2.自1992年起，澳大利亚物理学会设立一个全国年度最佳物理博士论文奖项，向最佳论文的作者颁发“布拉格金牌”（The Bragg Gold Medal for Excellence in Physics），这枚奖牌的命名是为了纪念布拉格父子，奖牌正面图案为劳伦斯·布拉格肖像。^[3]

3.1915年瑞典为了纪念威廉和劳伦斯·布拉格获得诺贝尔奖60周年出版的瑞典邮票。^[36]

参考资料 36

参考 1
参考 2
参考 3
参考 4
参考 5
参考 6
参考 7
参考 8
参考 9
参考 10
参考 11
参考 12
参考 13
参考 14
参考 15
参考 16
http://dx.doi.org/10.1179/0308018815Z.000000000115
参考 18
参考 19
参考 20
参考 21
参考 22
参考 23
参考 24
参考 25
参考 26
参考 27
http://sn.royalsocietypublishing.org/content/59/3/273
参考 29
参考 30
参考 31
参考 32
参考 33
参考 34
参考 35
参考 36