第四部分

成长的领域

第8章

X射线分析日益强大*

近五十年前，冯·劳厄（von Laue）发现了晶体的X射线衍射，他最近的不幸去世给我们带来了巨大的悲痛，当时我们都期待着他能与我们在一起。在这次演讲中，我提议调查X射线分析科学自那时以来的发展阶段。追踪决定科学发展速度的影响是很有趣的。我父亲最喜欢的一句话是，经过一年的研究，人们意识到这本可以在一周内完成。当然，这句话不能逐字解释。在许多研究案例中，在得出答案之前，必须费力地收集数据。我认为，他指的是思考的失策，探索被证明是盲目的小巷，缺乏对一些关键信息的了解，而这些信息是用来询问一个人是否知道去哪里提问的。当最终达成解决方案时，我们所有人都会时不时地对自己说，“我是多么盲目啊”。

X射线分析是一门特别吸引人的学科，因为它综合性很强。它是一个有自己学科的研究分支，具有与任何其他科学不同的特点。追求它的人是一个非常团结的乐队，他们使用相同的语言，彼此保持密切联系。同时，它是一门典型的边缘科学，对许多其他科学产生了巨大影响，并将其知识体系用作其发现的基础。

将故事分为几个阶段是很方便的，我建议依次讨论每个阶段，讨论这一阶段的重要进展，并总结主题在结尾时所达到的阶段。我们的第一个时期，从冯·劳厄的发现开始，可能会在1920年结束。它包括第一次世界大战，当时几乎不可能进行研究，但即使在战争期间，也有一些杰出的贡献，在战争结束时，奠定了所有后续工作的基础。接下来的十年，即1920-1930年，X射线分析逐渐形成了一门定量科学，其结果是可以扩展到更复杂的结构。接下来的十年，即1930-1940年，傅里叶级数作为一种标准的攻击方法逐渐成熟；它的原则早就实现了，但只有在那十年里，它才开始发挥重要作用。

第二次世界大战比第一次更彻底地中断了研究。科学在其中发挥了更大的作用，科学家们不得不放弃所有的研究思想，因此，在这种总体调查中，我们可以将其视为一个空白期，并将我们的下一个十年定为1945-1955年。对我来说，这十年似乎是X射线分析的试错方法的繁荣，除了少数有利的情况外，这从一开始就是X射线工作的特点。相位困难被认为是X射线分析的必要伴随物，杰出的研究具有辉煌的特点武力之旅最后，从1955年起，我们现在所处的十年是一个向前迈进了一大步的十年。所处理的结构是如此复杂，任何试错法都不可能成功。X射线分析呈现了一个新的方面，在这个方面相位困难必须被克服，并且已经被克服。由于新方法是直接方法，机器可以成为我们处理大量数据的奴隶，因为它们可以被给出清晰准确的命令。我们也许可以把这些阶段比作地质时代，说第一阶段一直延续到1920年，第二阶段早期和晚期从1920年延续到1940年，而第三阶段一直延续至1955年，并说我们现在生活在一个X射线分析的第四纪时代。当然，任何这样的划分都是武断的，只是作为我们审查的基础的一个框架计划。我打算用具有里程碑意义的杰出贡献作为例证，但人们将认识到，不可能提及所有这些事件，如果对某一学校的工作进行一些详细的审查，那是因为它能够衡量该学科的进步，而不是因为它是当时唯一的同类工作。

现在让我们回顾一下X射线分析奠定基础的第一个时期，并试图追溯产生X射线分析的各种思路和经验之间的相互作用。1911年和1912年开始的故事已在第4章详细讲述，无需在此重复。因此，从我父亲开始工作的那一刻起，我就开始记账了。

我父亲对冯·劳厄的结果非常感兴趣，因为当时他支持X射线是一种微粒辐射的理论，即中性对理论。这个理论并不像看上去那么奇怪。他由此推断出，我们现在知道是真的，当X射线电离气体时，能量会传递给气体中各处的单个电子，就像它们被抛射物击中一样。必须记住，这是在威尔逊云室的时代之前，在辐射的双波和双粒子性质成为人们熟悉的概念之前。1912年暑假，我们就结果进行了多次讨论，当我在秋季作为研究生回到剑桥时，我仔细研究了冯·劳厄的照片。机会再次发挥了作用。现在想必很难想象当时物理学家对三维图形的几何学是多么无知。我碰巧对它了解得很少，因为波普和巴洛提出了晶体结构的价-体积理论，虽然不正确，但极具启发性，我所属的一个小型科学协会的一名成员也就这一理论发表了一篇论文。它让我明白了一个事实，即空间晶格中的原子排列在平面中！J·J·汤姆森一直在谈论X射线的脉冲理论，长话短说，我解释了冯·劳厄的结果，因为晶体平面反射了一条“白色”辐射带。我在自然用云母片以一系列角度反射X射线。此外，我通过研究蒲柏和巴洛的论文得知，冯·劳厄用锌蓝矿获得的斑点是以面为中心的立方晶体的特征。蒲柏对此非常感兴趣，鼓励我尝试劳厄拍摄的氯化钠和氯化钾照片，他还认为这些原子是立方紧密堆积的。这些结果确定了晶体（NaCl、KCl、KBr、KI）氯化钠基团的结构。

然而，晶体分析的这一尝试性开始很快被我父亲在利兹开发的X射线光谱仪完全取代，我认为人们可以追查到为什么晶体分析中的铅如此迅速地传到了这个国家，尽管它是从德国开始的。我父亲擅长处理X射线管和电离室。在这些日子里，你一定很难意识到当时的X射线管是什么样的。在任何一段时间内，都不能通过超过一毫安的电流，否则抗坏血酸就会变得太热。放电将气体排入墙壁；然后，一个人在一个小钯管下面拿着一根火柴，让一些气体扩散通过，从而软化了管子。用威尔逊金叶验电器测量电离也是一门艺术，我父亲在他的研究中彻底掌握了所有技术。电离光谱仪的重大战略意义在于它能够逐一研究反射。1913年4月，人们宣布发现了铂的三条特征线A、B和C，而我对岩盐结构的建立使波长能够分配给这些线。我认为，人们普遍没有意识到，我父亲在1913年创立了X射线光谱学。他用铂、锇、铱、钯、铑、铜和镍的阳极制成管子。他发现了它们特征线的波长，通过测量吸收系数，他将它们确定为铂族元素中的巴克拉L辐射和其他元素中的K辐射。惠丁顿已经确定了在不同原子量的原子中激发巴卡拉K和L辐射所需的阴极射线能量，因此我父亲能够将波长与能量联系起来，并表明这种关系符合普朗克量子定律。他发现连续元素的K线模式和L线模式相似，并表明频率大致随原子量的平方增加（1913年6月）。他确定了现在所称的吸收边。与莫斯利工作的联系很有趣。莫斯利和达尔文曾测量过铂反电极发射的光谱，但由于狭缝太细，他们错过了特征线。我父亲的成功鼓励莫斯利重新审视从铝到金的连续系列元素的线条。玻尔当时在曼彻斯特，莫斯利的成功在于用玻尔的光谱理论解释了频率的连续性，从而将原子序数确定为原子核中正电荷的数量（1914年4月），正如范登·布鲁克（Van den Broek）在前一年提出的那样。

当然，在这个阶段，我有机会加入电离光谱仪的工作。我父亲对X射线比对晶体结构更感兴趣，我能用光谱仪研究晶体结构。我们一起发表了金刚石结构，我建立了ZnS、FeS的结构₂，立方英尺₂，NaNO_三和CaCO_三.黄铁矿的结构，FeS₂在我通过巴洛的几何组合发现立方晶体可能具有不相交的三角轴之前，似乎无法解释其奇怪的光谱序列。意识到这解释了黄铁矿结果的那一刻，我记得很清楚。我试着向一位碰巧在房间里的阿姨解释这件事，但收效甚微。

我将选择在此期间出现的另外三篇论文，以期从其他论文中脱颖而出。第一篇是我父亲的论文，《晶体对X射线的反射强度》。他表示，可以通过以均匀的速率扫过反射位置的晶体，获得强度反射的定量测量，而强度反射不受不完美晶体块的方向变化的影响。他将岩盐的反射与h、k、l甚至进行了比较，发现当与sinθ作图时，强度下降到一条曲线上。这种扫描程序是精确定量测量的开始，现在仍然是标准方法。我父亲还测量了德拜温度对岩盐的影响。今天，测量的精度将被认为是相当可观的，而当人们考虑到当时可用的X射线设备时，这一点就不同寻常了。

第二个贡献是达尔文在1914年发表的两篇关于X射线反射强度的理论论文。达尔文计算出，一个完美的晶体应该在几秒钟的弧度范围内进行完全反射。他意识到实际反射太强，无法用这种方式进行解释，正确地解释了这种差异是由于晶体由轻微无序的块组成，并得出了镶嵌晶体的计算公式。他们是出色的论文。直到战后，X射线分析才达到达尔文的结果可以使用的程度；事实上，埃瓦尔德随后相当独立地计算了相同的公式，却没有意识到达尔文在X射线分析一开始就建立了这一理论。

第三个贡献出现在1915年我父亲的贝克林讲座上；引用其中的一句话将表明其重要性：“让我们想象一下，密度的周期变化（在晶体中）已被分析为一系列周期项。任何项的系数都将与其对应的反射强度成正比。”这是傅里叶分析的开始，我父亲用它来了解原子中散射物质的分布。

因此，总结1912年至1920年这第一个时期的成就，即战后恢复积极工作：

（a） X射线的波长已经确定。

（b） 对一些简单晶体进行了分析，包括几个具有一个参数的晶体，结果表明，通过比较阶数或光谱，可以高精度地确定该参数。

（c） 找到了一种精确测量强度的方法。

（d） 已经测量了德拜效应。

（e） 我们有达尔文关于完美和镶嵌晶体反射的公式。

（f） 已经认识到，每个晶体衍射都对应于晶体密度的傅里叶分量。

（g） 最后，通过1916年由Debye和Scherrer开发的粉末法和一年后由Hull独立开发的粉末方法，一系列全新的晶体物质已经可用。为了获得足够的强度，我们在电离光谱仪上使用了巨大的晶体。如果可能的话，我们请同事提供一到两英寸宽的样本，但对于钻石来说，我们的野心要小一些，幸运的是，钻石的吸收系数很低，反射很强。粉末法开辟了检验微晶材料的途径。

1920-1930年间，X射线分析在更复杂的晶体，特别是无机晶体的应用方面取得了巨大进展。我将放弃严格的时间顺序，首先总结无机领域，稍后再叙述其他领域的进展。这一进步首先是因为绝对强度测量的发展，其次是因为早期的结果导致了对支配无机晶体结构的原理的理解，而这反过来又导致了对更复杂结构的分析。

绝对定量方法基于达尔文的镶嵌晶体衍射理论，该理论将晶体以给定角速率扫过反射位置时的积分反射与每秒落在晶体上的X射线束的强度联系起来。至关重要。量为Eω/I，当E是积分反射时，ω是转动率，I是入射X射线束的强度。A.H.康普顿在1917年用岩盐测试了达尔文公式，发现反射的绝对强度达到了正确的数量级。1921年和1922年，布拉格、詹姆斯和博桑奎特对岩盐进行了彻底的检查，在检查中他们估计了一次和二次消光的影响，并测定了钠和氯的散射曲线。之所以选择岩盐进行实验，是因为通过轻磨可以将表面还原为几乎理想的镶嵌状态。原子散射角变化的重要性（f曲线）变得显而易见，1925年哈特里根据玻尔轨道计算了f曲线。1928年晚些时候，当波函数取代玻尔轨道时，他用他著名的“自洽场”重新计算了它们的曲线。在重原子的情况下，它们的曲线与为“费米原子”计算的f曲线非常相似，费米原子将电子视为原子核周围的大气层。James、Waller和Hartree关于岩盐晶格零点能量的论文代表了这一工作的巅峰。通过准确测量不同温度下的反射强度，并使用基于自洽场的f曲线的哈特里值，他们发现，“根据普朗克提出的假设，晶体每自由度具有半个量子的零点能量，因此计算出的f曲线与实验曲线非常一致”。

对绝对强度定律的这种理解同时适用于晶体结构问题。岩盐的综合反射（400），1.09 x 10^-4对于钼Kα辐射，形成了确定其他晶体绝对强度的方便标准。我认为，第一种结构是基于定量方法的重晶石结构，BaSO₄1925年由詹姆斯·伍德分析。它是一个正交结构，有11个参数。通过假设SO引入简化₄组为四面体，但通过比较计算的绝对值和观察的绝对值，严格确认了指定的结构。人们只需回忆一下，就在几年前，一个具有一两个参数的晶体被认为是实现新方法威力的决心极限。论文中的表格开始包含振幅的数值比较，而不是神秘的字母v.s.，s，m，w，v.w.表示非常强到非常弱。

1928年，韦斯特和我写了《用多参数检查晶体结构的技术》，在这本书中我们总结了我们的经验——这是一本简短的艺术指南，可能会引起当今希望评估当时知识状态的读者的兴趣。

我们在曼彻斯特继续将新技术应用于一系列硅酸盐，并不是因为我们对硅酸盐感兴趣，而是因为它们的结构具有正确的复杂性，我们可以获得垂直于主要区域的地面截面，并方便地测量它们的综合反射。最初的分析是费力的正面攻击。然而，有三种辅助手段越来越能够实现捷径。尼格利、威科夫、阿斯伯里和亚德利已经制定了确定空间对称性组的表格。在第一次分析中，没有感觉到进行这种系统调查的必要性；结构很简单，我们计算出了每个特殊情况下的空间群特别的现在，我们意识到原子必须符合的对称元素的直接确定的框架的有用性。接下来，确定了离子半径。1920年，我提出了证据，证明它们是相加的，1923年，Wasastjerna将我的半径修正为一个更现实的设置。V.M.Goldschmidt及其学校对简单结构的详尽调查确定了半径。仅通过空间群和原子半径确定结构的经典案例是绿柱石。当韦斯特发现太空群时，我记得我们在不到一个小时的时间里就完成了结构，这肯定是一个相当复杂的晶体的记录。1928年，鲍林发表了《离子晶体结构的配位理论》这篇伟大的论文，硅酸盐结构的总体方案开始出现。这篇论文是一个真正的里程碑，它揭示了所有无机晶体的基本原理。它在硅酸盐中有着最引人注目的说明，我一直觉得X射线分析揭示出的结构的有序性和简单性是最能给人带来审美满足感的。我认为理解硅酸盐的转折点是透辉石CaMgSiO的溶液_三1928年，沃伦和我自己写的，因为它显示了四面体SiO₄通过角连接以形成组成SiO的链的基团_三在此之前，化学家和矿物学家假设存在许多具有不同硅氧比的酸根。1933年，泰勒对长石结构的分析完成了我们对主要硅酸盐结构的了解。

这一时期开始了另外两个研究领域，即有机晶体的研究和傅里叶表示的有效使用。我父亲对有机晶体的第一次研究并不是通过X射线分析直接测定结构，当时这个问题太复杂了，无法直接解决。相反，研究表明，有机化学预测的形状的分子，如金刚石中的键，可以安装到测量的细胞中。1921年，我父亲检查了蒽和萘，1923年，穆勒和希勒、派珀和格林德利、德布罗意和弗里德尔测量了长链化合物。后来，在1929年，朗斯代尔夫人测定了六亚甲基苯。这些调查作为新领域的首次突破具有重要意义。

1925年，在这一时期即将结束时，一种新的晶体分析技术形成了，即二维傅立叶分析。我承认当时的事件总是让我感到懊悔。1925年，Duane和Havighurst首次使用一维级数来确定钠和氯原子中的电子分布，并在许多情况下应用一维级数来根据连续阶数的测量来确定平行于晶体平面的薄片中的电子分配。现在大约在这个时候，我和韦斯特测量了透辉石三个主要区域的所有反射，在sinθ的最大值范围内。我曾尝试过（现在看来如此明显）如何利用这些测量值来获得一种格子格子的二维投影，但没有成功。我父亲写信给我，建议解决方案应该来自各个方向的傅里叶元素的纵横交错，对透辉石数据的测试显示，峰值代表金属、硅和氧原子。我想和父亲一起发表这篇论文，但他坚持要我自己发表。因此，第一个二维傅里叶投影像是透辉石的三个主平面投影，尽管它的开始完全归功于我父亲。

总之，我认为1920-30年代的突出特点是发展了精确和绝对强度测量，这尤其导致了对复杂无机化合物的广泛了解，从而对支配其结构的原理有了更深入的理解。

回顾下一个时期，即1930-40年，我认为这是二维傅里叶级数的伟大时代，尤其是有机化学分子的几何精度。与此同时，粉末法在合金结构这一特别适用的领域逐渐成熟。

二维傅里叶投影需要大量测量，因为一个区域周围的所有反射都需要达到决定分辨率的最大sinθ值。碰巧，在透辉石的情况下，这些反射波是用分光计费力地积累起来的，但总的来说，这种仪器通过精确测量有限数量的反射波而取得了成功。现在，更快速的数据积累方法变得至关重要。旋转照片是由尼格利于1919年首次提出的，而温森伯格相机提供了这一需要，并结合了对斑点的精确光度测量。1926年伯纳尔的一篇论文对这些照片的解释进行了系统化，并确定了一种明确的技术。所检测的有机晶体是中心对称的，在相位测定中只需要一个符号。基于立体化学的试错法给出了一个粗略的解决方案，得出了主要的符号，并用它们计算出傅里叶投影，并通过推导出进一步的符号来加以改进。作为这一系列工作的一个例子，我可以引用罗伯逊和他的学校的一系列论文。1932年，他提炼了蒽，然后分析了二烯、二苄基、苯醌、间苯二酚、六亚甲基苯和其他分子。这些结构物的许多参数在20-30范围内。一个里程碑是直接测定酞菁的60个参数，这是通过取代基团中心的重原子而实现的。每种情况下的分子都证实了有机化学家预测的结构。新的贡献是精确测定了键长和键角，以及它们对化学键性质的解释。因此，傅里叶级数成为主要的攻击方法，它使用测量的振幅和假设的符号，而不是在解释衍射效应之前移动原子的旧方法。

帕特森的著名论文《晶体中原子间距离分量的直接测定方法》发表于1935年。“帕特森”号是一系列关于傅里叶级数可用于X射线分析的方法的发现中的第一个，该级数似乎来自一个取之不尽用之不竭的矿井。不断发现新的应用程序。我们现在从傅里叶级数和倒易晶格的角度进行思考，正是在我们回顾的当前时代，晶体分析的这一新趋势得以确立。

瑞典的韦斯特格伦于1921年开始研究合金，是这一领域的先驱。紧随其后的是布拉德利，他与韦斯特格伦合作，并于1926年和1927年出版了著名的γ黄铜和α锰结构。但正是在1930-1940年间，布拉德利和他的学派在一系列精彩的论文中对合金和合金相分布图的研究做出了巨大贡献。粉末法的精湛技艺，如果真的达到了同样的水平，那可能是自那以后再也没有过的。分析了高度复杂的结构。由此获得的知识使休谟·罗瑟里的电子-原子比假设得到了琼斯关于布里渊区的解释。准确地勾画了二元和三元体系的相界。布拉德利（Bradley）和赛克斯（Sykes）对有序-有序变换进行了探索，德林格（Dehlinger）、威廉姆斯（Williams）和我自己对其进行了理论处理，甚至被证明对理论家来说是如此迷人，以至于贝丝（Bethe）和佩尔斯（Peierls）被引入了对其的考虑。毫不夸张地说，金属化学的原理首次出现。

这将故事带到了第二次世界大战的开始，可以在战争结束时重新开始，并将1945-1955年作为我们的下一个十年。晶体学报1948年开始出版，为X射线晶体学家提供了自己的期刊。埃瓦尔德及其合作编辑编辑该杂志的出色方式对我们学科的发展产生了最有利的影响。特别是，我们这个国家应该感谢R.C.Evans，他为学报我们不必在许多期刊上寻找新的工作，我们可以通过在该期刊上找到所有最重要的工作来确保跟上新的发展。浏览一下期刊的数字，就可以看出审查期间的总体趋势。大多数论文都是对战前开发或至少预示的方法的开发，这些方法应用于有机化合物、无机化合物和合金。对技术进行了许多改进，成功地解决了更复杂的化合物，提高了原子排列测定、氢原子位置检测和单个热振动测量的准确性。工作量如此之大，以至于很难单单列举出个人的成就而不感到不公正是因为没有提到其他人。我将不得不放弃任何试图通过使用既定的分析方法来总结晶体化学的巨大扩展的尝试，而局限于我所看到的开创新局面的杰出成就。

在有机领域，迄今为止，大多数结构测定都证实了有机化学家的结构模型。现在，一种非常困难的“声音屏障”开始被跨越，那就是告诉有机化学家一些他还不知道的事情。

我可能会选择Carlisle和Crowfoot（Hodgkin夫人）于1945年对胆固醇碘化物结构的测定作为这一成就的早期例子。伯纳尔在1932年对甾醇的研究表明了它们的结构，在此期间，甾醇结构的化学性质主要由有机化学家确定。卡莱尔和克劳福德从重碘原子所指示的相的线索开始，能够确定不对称分子中33个碳原子的位置，从而精确地建立甾醇骨架然后，为了解决士的宁的结构，与有机化学家进行了一场势均力敌的竞赛。1947年，Bijvoet在010平面上首次获得了硫酸盐的傅里叶粗合成，通过比较硫酸盐和硅酸盐得到了标记。1948年，他得到了一个精确的预测，只有一个模型与之兼容，但他没有意识到，就在之前，罗伯特·罗宾逊爵士基于化学原因成功地在替代模型之间做出了正确的选择。这些建立了士的宁结构的论文是简洁的模型，大约有两页长，我们这些更分散的作者很可能会研究这些论文！罗伯逊和比弗斯证实了这一结果。

Crowfoot、Bunn及其同事的“青霉素结构的X射线晶体学研究”非常著名。调查持续了四年多。成功是团队合作的结果，化学家和晶体学家在团队合作中做出了重要贡献。引用论文中的话：“在整个青霉素的X射线晶体学研究过程中，我们对我们必须研究的化合物的化学性质的无知程度远远超过了X射线分析中常见的情况。”使用了多种X射线技术来确定降解产物和完整分子的结构。分析的描述本身就是一本关于X射线分析的小教科书。

我曾将有机化学家知识的超越比作“声音屏障”，但在维生素B的案例中，一则响亮的报道打破了这一屏障₁₂克劳福德及其同事经过八年的研究，于1957年发表了他们的完整分析。不对称分子的成分为C₆₃H（H）₈₈镍₁₄O（运行）₁₄PCo，重钴原子在分析中发挥了至关重要的作用。在某些方面，化学证据无疑具有误导性，该结构的建立主要是由于X射线分析。我们都承认对B的这种分析₁₂作为一项成就，它在同类中独树一帜。

这一时期的一个值得注意的事件是建立了确定晶体的空间群对称性的所有特征的方法。多年来，我们在讲座和论文中一直指出，仅靠X射线方法不可能检测出晶体是否具有对称中心，威尔逊向我们展示了如何通过衍射强度分布的统计调查来进行检测。就像所有出色的原创想法一样，当被指出时，它看起来是如此明显。Bijvoet及其同事消除了最后一个不确定性因素，他们利用散射中的相变来区分原子的左右手构型。他们确定了酒石酸铷钠中酒石酸离子的绝对构型。当然，实际构型是否符合有机化学家的“d”和“l”惯例是一个偶然的机会；事实证明，它符合公约。

这一时期另一个非常有趣的作品是卡勒和豪普特曼、哈克和卡斯珀、戈德科普、赛义尔等人从1950年起发表的系列论文。他们试图用直接方法求解结构。结构因素的相位必须与测量的振幅相结合，才能给出“合理”的答案。例如，它们必须产生密度处处为正的傅里叶变换，并用适当的电子分布勾勒出近似球形的原子。当然，这种考虑是所有试错法的基础，这些试错法首先假设这些原子存在于结构中，然后寻求它们的位置。这些作者从另一方面着手解决这个问题，试图获得结构因子之间的一般关系，因为衍射体的物理性质，必须保持这些结构因子，这将直接导致建立足以确定结构的多个相位。也许可以公平地说，这一出色的工作实际上并没有对结构确定产生应有的影响。不幸的是来得太晚了。这些关系只能基于强度与最大可能值相当高的F值。随着晶体复杂性的增加，这种高值变得越来越稀少，而当它们的方法建立起来时，X射线分析的威力已经变得如此强大，以至于它已经迂回并占据了受到直接攻击的位置。

总结1945-55年的时代，我认为这是基于早期试错法的大量技术的广泛发展，但现在它们变得如此强大，在晶体化学的所有领域都有了新的突破，达到了一个可以解决化学组成问题的阶段，而这些问题已经被证明是其他技术无法解决的。

这让我想到了当今时代，这里令人激动的特点是X射线分析在生物结构中的成功应用。多肽链的螺旋结构模型，即Pauling、Branson和Corey的α-螺旋结构，是在氨基酸和简单多肽形式研究的支持下，根据理论基础首次推导出来的。很快，Cochran、Crick和Vand通过螺旋结构对X射线衍射进行了处理，并将其应用于人工多肽产生的衍射图像，从而证实了这一点。克里克和沃森利用这一分析解释了威尔金斯获得的核酸（DNA）的极好图片，1953年，他们发表了DNA中原子排列的结构方案，引起了人们的极大兴趣，并在许多实验室进行了进一步的研究，证实了其基本正确性。螺旋结构的转变（可以用贝塞尔函数表示）也使沃森推断出杆状病毒的螺旋性质。球状病毒的衍射图使卡斯帕提出，它们是对称排列的点群中的类似蛋白质分子簇。克里克（Crick）和沃森（Watson）以及富兰克林（Franklin）和克鲁格（Klug）的进一步发展使我们对病毒粒子的一般结构有了更深入的了解。X射线分析也应用于胶原蛋白和肌肉的结构。这些案例呈现出一个新颖的特征，即处理的是非对称排列的变换，而非空间晶格的一部分。目前进展如此迅速，我必须对这些非常重要的研究做一个简短的介绍。

Kendrew和Perutz对蛋白质肌红蛋白和血红蛋白的分析与以前的工作更为一致，因为其目标是完全确定根据空间群对称性排列的确定结构的分子中的原子位置。新的特点是成功分析的结构高度复杂。维生素B的分子₁₂包含181个原子，其分析代表了用经典方法解决复杂分子问题的里程碑。分子量为18000的肌红蛋白含有约2500个原子，血红蛋白是它的四倍大。仅仅在几年前，解决这种结构似乎几乎是不可能的。肌红蛋白分子的模型在科学上是一个相当新的东西，它提出了一个令人着迷的问题，即在这个巨大的原子阵列中力的相互作用以及它们决定化合物化学行为的方式。

一个特点是完全没有试错法，而且这种方法直接，对预期的答案没有任何假设。可以说，大自然给了我们一次意想不到的休息。一方面，含有数千个原子的分子具有惊人的复杂性。另一方面，分子的大小使重原子能够附着在不同的位置，而不影响晶体中分子的排列，这些重原子通常与相当大的配合物有关。事实上，这种分子对这种微不足道的依恋，就像一头帝王的大象对额头上画的金星所注意到的那样。这种原子附着在足够多的位置，可以完全直接测定相，从而解决结构问题。当然，利用重原子的存在，或利用同构替换一个重原子的可能性，是一种经典的装置，但这种在不同位置添加重原子的做法是新的。

接下来，因为这种方法是直接的，所以可以向我们的奴隶，即电子计算机，发出明确的指令，以计算出所需的大量计算。数据的收集也变得自动化，研究人员的判断主要应用于解释机器输出的数据。我并不是在贬低导致发现如何以化学方式附着重原子、记录设备的设计和准确性以及输入机器的数据的编程的独创性。新的特点是猜测的元素已经消失，取而代之的是处理大量的测量和计算。

Kendrew对肌红蛋白结构的近乎完整的解决方案，以及血红蛋白的第一个轮廓，无疑也将很快扩展到更高的分辨率，代表了这两个分子大约二十年的研究结果。在这么多年没有取得令人鼓舞的成果之后，人们不得不钦佩导致最终成功的坚韧和信念。

在我看来，另一个突出的特点是在研究生物结构的两种方法之间建立了桥梁。到目前为止，电子显微镜已经得到了改进，它能够分辨出跨越十个原子的物体，从而包含数千个原子。X射线分析现在已经达到可以将原子放入含有数千个原子的分子中的程度。我们将首次能够在原子尺度上研究物质的结构。

由于我在这一领域工作了这么长时间，很容易理解，亲眼目睹X射线分析日益强大的威力，看看它与我记忆中的早期相比有多大进步，对我来说是多么令人欣慰。

我用一张图表来结束这节课，在这个图表中，年份是水平绘制的，典型结构测定中的参数数量是在对数刻度上垂直绘制的。曲线始于1913年的一个参数。它显示了在令人兴奋的当前时刻的一个急剧突破，在追踪其过程中，我怀着一定的信心大胆假设血红蛋白结构将在明年完成。如果我们延长图表，我们的结论是我们将在1965年达到百万大关。这并不像看上去那么不可能；难道到那时我们就不希望了解简单病毒的原子结构吗？如何在中列出百万个参数学报是我当时留给编辑的一个问题。我满怀希望，我将看到这伟大的一天。

图8-1：。X射线晶体分析日益强大。