新疆域
                          FRONTIERS

[美]艾萨克·阿西莫夫  著
上海科技教育出版社 1999.12

扫描，校对：异调


基础科学新疆域(FRONTIERS OF SCIENCE)，朱宝如  译

                         最亮的X射线

    现在，科学家能够做到在百亿分之一秒内拍摄分子的照片了。这
个时间间隔是如此之短，以至构成分子的那些原子还来不及跑得太远，
也就是说在半运动状态下即被抓拍到。

    这种技术的起源要回溯到大约四分之三世纪以前，那时科学家们
刚认识到X射线是一种十分短小的波。这种波的波长是如此之短，以至
于它们可以在晶体物质的原子间穿行。

    晶体中的原子，很有规律地排列成行、列和层。1912年，一位名
叫马克斯·冯·劳厄（Max  von  Laue）的德国科学家证实：如果用
X射线照射一块晶体，射线将在这些有序排列的原子间跳跳蹦蹦，最终
被“衍射”，也就是偏离了原来的方向。穿过晶体的X射线，如果射到
一块照相底片上，就会产生一种由小圆点组成的对称图案，图案花样
取决于它们是如何被不同的原子层衍射的。根据这种“X射线衍射图案”，
科学家就能够计算出原子层的位置以及晶体的结构。

    科学家最终不仅能对像盐这种结构简单的晶体，而且能对诸如蛋
白质与核酸这样具有规则形状的复杂分子，完成上述工作。采用这种
方法，科学家便可以了解血红蛋白（携带氧气的物质，并使血液显红
色）以及脱氧核糖核酸（即DNA，遗传特性的携带者）的原子结构。

    不过，有个问题依然存在。产生一束X射线的一般方法是用一束高
速电子撞击金属物体。电子在碰撞中突然减慢速度，就会产生X射线。
然而，这样产生的X射线很微弱并且很模糊。要想获得良好的衍射图案，
就必须把一个物体曝光在X射线中长达几小时，乃至几天。

    在这段时间中，物体中的原子来回急速运动，围绕着某一点振动。
因而，衍射图案只能显示出振动的中心点，却无法告诉你在振动过程
中原子正在做些什么。对于复杂分子，这更是一个严重缺陷。另外，
长时间的曝光增加了这样的可能性，即一束X射线可能会在分子的某一
地方损伤了一个原子而改变了它的布局，尤其是对于蛋白质以及其他
一些原子结构非常复杂而且脆弱的分子，情况更是如此。

    另有一种获得X射线的方法。即在一个强磁场作用下，迫使电子作
急速的圆周运动。而要强迫电子离开直线方向，必须付出巨大的能量，
这种能量以X射线的方式释放出来，便是一束十分强有力的射线。

    近年来，这种回旋电子束已经被用来产生超强、超短闪光的X射线
束。1987年秋季，麻省理工学院的科学家利用一束只持续了千分之几
秒的X射线闪光，得到了血红蛋白的衍射图案。这一图案比以往得到的
都要好，但还是没有快到能使分子“冻结”在一种无运动状态。

    然而，现在能产生的X射线束是如此之强，可以做到使那些对于活
组织十分重要的复杂分子只需在X射线中曝光百亿分之一秒。产生这样
强的X射线束的方法是：使得电子不仅沿着一个圆旋转，而且还前后摆
动。这一改进了的设备，被称为“波荡器”，已经在康奈尔大学运行
成功。

    这样强有力的X射线束，能以相当高的精度瞄准正在作半振动的每
一个原子的位置。X射线还来不及损伤这些原子。这样，如果在不同时
刻取得衍射图案，就可以看到处在略微有所不同的位置上的原子，因
而便可确定分子的各种蠕动。这样，对于这些分子在生命细胞中是如
何工作的，我们就能取得新的前所未有的认识。

    然而，困难（困难总是难免的）在于，一台波荡器要占据很大空
间，并且非常昂贵。这样，这类超高速X射线的研究工作就不可能在每
一个实验室中进行，而只限于少数高技术研究中心。

    现在，科学家正计划建造一台由多达35台波荡器组成的设备，其
中每一台波荡器都比康奈尔大学正在使用的还要强大。

    这样产生的超强X射线对于一些研究工作可谓很理想了。例如，这
样的X射线可以用来研究一些新的超导材料的结构，从而帮助科学家确
定需要什么样的原子排列才能在更高温度下获得超导电性。它们也可
以用来研究陨石的结构，以便对于太阳系的原始化学组成得到更为精
确的认识。再有，它们还可以用来确定材料中所含的各种微小的杂质，
什么地方的杂质不需要，什么地方的杂质是需要的。因此，可加以研
究的课题还很多呢。