第一篇：X射線衍射與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的測(cè)定

X射線衍射與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的測(cè)定

（P718x射線及x射線衍射）

1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線管的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)用高能電子束轟擊金屬靶時(shí)，能得到一種穿透力很強(qiáng)的射線，由于當(dāng)時(shí)不知這種射線的實(shí)質(zhì)（或本性）而將它成為x射線。

圖1 X射線的發(fā)現(xiàn)

為了解開(kāi)x射線的本性之謎，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家讓x射線通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這說(shuō)明x射線不是一種帶電的粒子流。人們也想過(guò)它可能是一種波長(zhǎng)很短的光波，但很難找到一種有效的實(shí)驗(yàn)手段觀察到x射線的干涉或衍射現(xiàn)象，更談不上測(cè)

出它的波長(zhǎng)。

直到1912年，既x射線發(fā)現(xiàn)17年后德國(guó)物理學(xué)家勞厄才找到了x射線具有波動(dòng)本性的最有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：。他用連續(xù)譜X射線照射單晶體，在晶體后放置感光片，發(fā)現(xiàn)感光片上出現(xiàn)許多分散的斑點(diǎn)（勞厄斑)，這即是x射線通過(guò)晶體時(shí)發(fā)生的衍射現(xiàn)象。W.L.布拉格指出勞厄斑的產(chǎn)生是X射線衍射的結(jié)果，并給出了簡(jiǎn)單明了的解釋。X 射線是波長(zhǎng)很短的電磁波，在可見(jiàn)光波段使用的衍射器件(如光柵)對(duì)X射線幾乎不起衍射作用。晶體內(nèi)的原子作周期性的規(guī)則排列，排列的空間周期與 X射線波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)，故晶體對(duì)X射線來(lái)說(shuō)相當(dāng)于

三維光柵，能產(chǎn)生明顯的衍射效應(yīng)。晶體可抽象成由格點(diǎn)組成的點(diǎn)陣結(jié)

構(gòu)，這些格點(diǎn)均分布在一系列互相平行的平面上，稱點(diǎn)陣平面或晶面，一組平行晶面構(gòu)成晶面族?？紤]任一晶面族，相鄰兩晶面的間距為d，X射線以掠入射角a(稱說(shuō)，在鏡反射方向有最強(qiáng)的衍射，但就整個(gè)晶面族而言，鏡反射方向(衍射角為2a)上總的衍射強(qiáng)度取決于各晶面的反射波的相干疊加結(jié)果。干涉極大滿足如下條件：2dsina＝kλ;，式中k為整數(shù)；λ為波長(zhǎng)。上式稱布拉格公式，是分析X射線衍射的基本公式。由此可見(jiàn)，若已知x射線的波長(zhǎng)就可以通過(guò)測(cè)量掠射角來(lái)測(cè)定晶體的晶面間距，分析晶體結(jié)構(gòu)；分析晶體結(jié)構(gòu);反之若已知晶體結(jié)構(gòu)就可以通過(guò)測(cè)量入射角來(lái)測(cè)定x射線的波長(zhǎng)。今天，x射線衍射測(cè)量原理已經(jīng)發(fā)展成多種現(xiàn)代化的方法和技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于晶體及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析中。

圖2 布拉格公式推導(dǎo)

20世紀(jì)50年代，結(jié)構(gòu)學(xué)派的新西蘭物理學(xué)家威爾金斯選擇了DNA作為研究生物大分子的理想材料，并在方法上采取了“x射線衍射法”。他認(rèn)為DNA分子的x射線衍射研究對(duì)于建立嚴(yán)格的分子模型是有幫助的。他和他的同事獲得了世界上第一張DNA纖維x射線衍射圖，證明了DNA分子式單鏈螺旋的，并在1951年意大利生物大分

子學(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)告了他們的研究成果。

圖3

DNA衍射圖案

沃森和克里克從非常清晰的X射線衍射照片中央的那些小小的十字架樣的圖案上，敏銳地意識(shí)到DNA分子很可能是雙鏈結(jié)構(gòu)。他們立即投入模型的重建工作，以脫

氧核糖和堿基間隔排列形成骨架——主鏈，讓堿基兩兩相連夾于雙螺旋之間。由于他們

讓相同的堿基兩兩配對(duì)，做出來(lái)的模型是扭曲的。此后，美國(guó)生物化學(xué)家查伽夫的研究

成果給了沃森和克里克很大啟發(fā)。查伽夫發(fā)現(xiàn)：（1）在他所分析的DNA樣本中，A的數(shù)目總是和T的數(shù)目相等，C的數(shù)目總是和G的數(shù)目相等。即：（A＋G）：（T＋C）=1。（2）（A＋T）：（C＋G）的比值具有物種特異性。沃森和克里克吸收了美國(guó)生物化學(xué)家查伽夫的研究成果，經(jīng)過(guò)深入的思考，終于建立了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

“發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義對(duì)生物學(xué)來(lái)說(shuō)怎么估量都不為過(guò)?！敝袊?guó)科學(xué)院發(fā)育研究所研究員莫鑫泉先生對(duì)記者說(shuō)：“用雙螺旋結(jié)構(gòu)解釋遺傳是如何進(jìn)行的，這是人類(lèi)對(duì)自己、對(duì)生物學(xué)認(rèn)識(shí)的巨大飛躍。發(fā)現(xiàn)雙螺旋之前，科學(xué)家對(duì)生命現(xiàn)象進(jìn)行了長(zhǎng)期的思考

與研究：是什么因素使人類(lèi)能夠一代

圖4

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

一代地將遺傳特性保持下去？”的確，就是一個(gè)桌子還有腐朽變壞的時(shí)候，為什么人類(lèi)就能代代延續(xù)？什么決定了人生人，老鼠生老鼠？

然而，除了生物化學(xué)，DNA分子還有其他用途。通過(guò)現(xiàn)代生物技術(shù)，我們可以制造出很長(zhǎng)的DNA分子，上面排列著根據(jù)意愿選擇的構(gòu)建模塊序列。這為DNA的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的新天地，而不僅限于自然界中生物進(jìn)化的領(lǐng)域。例如，1994年美國(guó)南加州大學(xué)的M.Adleman 證明了DNA如何被用作計(jì)算設(shè)備。DNA的另一項(xiàng)非生物學(xué)用途：建造納米級(jí)的器械和設(shè)備——它們的基本元件和結(jié)構(gòu)只有1到100納米大小。這種元件有著許多潛在的應(yīng)用。DNA制造的規(guī)則的柵格能夠有序地容納多個(gè)生物大分子，以便用X線晶體成像術(shù)測(cè)

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出開(kāi)啟了分子生物學(xué)時(shí)代，使遺傳的研究深入到分子層次，“生命之謎”被打開(kāi)，人們清楚地了解遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑。在以后的近50年里，分子遺傳學(xué)、分子免疫學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等新學(xué)科如雨后春筍般出現(xiàn)，一個(gè)又一個(gè)生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明，DNA重組技術(shù)更是為利用生物工程手段的研究和應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。

定它們的結(jié)構(gòu)，這是藥物推理設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要步驟。另外，這種柵格還 圖5 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 可以成為搭載納米級(jí)電子元件的平臺(tái)——作為工作設(shè)備或是設(shè)備制造過(guò)程中的一個(gè)步驟。利用DNA制造的分子水平的精密元件還可制造新材料?；顒?dòng)的DNA元件還可用于納米機(jī)械的傳感器、開(kāi)關(guān)、鑷子以及更精密的機(jī)器人。

參考資料

1.廖耀發(fā)《大學(xué)物理教程》（第二版），高等教育出版社

2.[美]加蘭E艾倫《20實(shí)際的生命科學(xué)史》，田明譯，上海：復(fù)旦大學(xué)出版社 3.周公度《晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定》，北京：科學(xué)出版社

4.[美]《沃森JD雙螺旋——發(fā)現(xiàn)DNA的故事》，劉望夷等譯，北京：科學(xué)出版社

組員（排名不分先后）：吳微，劉源，徐瑤月，李瑩，曾潔，黃晶晶，

第二篇：發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的故事

發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的故事

在剛剛過(guò)去的20世紀(jì)，遺傳學(xué)也許是發(fā)展最快、變化最烈的一門(mén)自然科學(xué)學(xué)科。1900年孟德?tīng)枺℅.Mendel）揭示的生物遺傳規(guī)律被重新發(fā)現(xiàn)，2000年人類(lèi)基因組全序列工作草圖宣告完成，這一頭一尾兩件大事充分展現(xiàn)了100年來(lái)遺傳學(xué)的重大發(fā)展，而連接首尾的關(guān)節(jié)點(diǎn)，則是1953年沃森（J.D.Watson）和克里克（F.H.C.Crick）共同提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

發(fā)現(xiàn)的前夜

20世紀(jì)上半葉的幾十年，幾代科學(xué)家不懈的努力終于將遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)確定為DNA。在此基礎(chǔ)上，玻爾（N.Bohr）、德?tīng)柌紖慰耍∕.Delbrück）、薛定諤（E.Schr o dinger）等一批物理學(xué)家的適時(shí)加入，將物理學(xué)的新觀點(diǎn)、思維方式和研究手段引入遺傳學(xué)研究，深深影響著整整一代戰(zhàn)后的青年科學(xué)家，包括沃森和克里克。

克里克是一個(gè)深受薛定諤思想影響的物理學(xué)家，戰(zhàn)后從物理學(xué)轉(zhuǎn)入生物學(xué)研究。他認(rèn)為，運(yùn)用物理學(xué)和化學(xué)的科學(xué)概念和精確的術(shù)語(yǔ)重新思考生物學(xué)的基本問(wèn)題，是會(huì)有成果的。他思考問(wèn)題敏銳深刻，不停頓地思考與評(píng)論是他最大的嗜好。沃森說(shuō)：“他掌握別人的資料，并使之條理化的速度之快，令人倒吸一口冷氣?！币舱?yàn)檫@一點(diǎn)，在克里克的周?chē)奂艘慌稚@樣的優(yōu)秀青年科學(xué)家。1951年，23歲的沃森來(lái)到英國(guó)劍橋著名的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，在那里遇到了大他12歲的克里克，開(kāi)始了現(xiàn)代生物學(xué)史上最動(dòng)人心弦的合作。

沃森和克里克決定一起揭示DNA分子結(jié)構(gòu)后，立刻確定目標(biāo)：提出一個(gè)結(jié)構(gòu)模型，它既要能解釋X射線衍射分析的圖像，又要能闡明基因自體催化（復(fù)制）和異體催化（編碼蛋白質(zhì)）等生物學(xué)性質(zhì)。

那當(dāng)時(shí)有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)的知識(shí)是怎樣的呢？從物理學(xué)性質(zhì)講：根據(jù)阿斯特伯里（W.Astbury）等人的X射線衍射分析資料，DNA是由許多亞單位疊合在一起組成的，疊層間距是0.34納米；DNA是一個(gè)長(zhǎng)鏈分子，在整個(gè)分子線性結(jié)構(gòu)中，分子的直徑是衡定的。

從化學(xué)性質(zhì)講：DNA含有4種堿基，即兩種嘌呤（A和G）和兩種嘧啶（C和T），以及脫氧核糖和磷酸根。一個(gè)堿基、一個(gè)糖分子和一個(gè)磷酸根組成一個(gè)結(jié)構(gòu)單位，叫核苷酸。核苷酸之間經(jīng)磷酸酯鍵相連，組成分子的骨架結(jié)構(gòu)。影響重大的四件事情

他們面臨的第一個(gè)問(wèn)題是如何設(shè)想DNA分子中核苷酸的排列和連接，使之保證DNA大分子內(nèi)部的幾何協(xié)調(diào)和力的平衡，在化學(xué)上趨于最穩(wěn)態(tài)，還要保證DNA作為遺傳物質(zhì)所需的復(fù)制精確性。組成分子骨架的糖磷酯鍵是結(jié)合力最強(qiáng)的共價(jià)鍵。然而X射線衍射分析表明，DNA分子中有不止一個(gè)這樣的骨架，那么多個(gè)長(zhǎng)鏈骨架是怎樣結(jié)合在一起的呢？會(huì)不會(huì)是多條核苷酸鏈靠堿基間的氫鍵相互連接？如果是這樣，那堿基間就有三種不同連接方式：相同的堿基相互連接，如A與A相連；相同類(lèi)別的堿基相連，即嘌呤與嘌呤、嘧啶與嘧啶相連；不同類(lèi)別的堿基相連，即嘌呤與嘧啶相連。

還有，這種連接究竟是不同多核苷酸鏈上的堿基相互連接呢，還是同一條鏈不同部位上的堿基相互連接呢？這后一種設(shè)想也就是所謂單鏈回旋折疊自我連接，也是沃森和克里克最初的想法，顯然受了蛋白質(zhì)肽鏈折疊模式的影響。然而，在接下來(lái)的一年半中，至少有四件事使他們摒棄了這種看法。

第一件，1952年6月，在聽(tīng)完天文學(xué)家高爾特（T.Gold）的講座“完美的宇宙學(xué)原理”后，沃森、克里克和劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)系研究生格里菲斯（J.Griffith）閑談?dòng)袥](méi)有“完美的生物學(xué)原理”，又談到DNA的復(fù)制，談到DNA分子中堿基間如何形成穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。格里菲斯對(duì)基因的復(fù)制很感興趣，應(yīng)他們的請(qǐng)求，他答應(yīng)用量子力學(xué)和化學(xué)鍵理論來(lái)計(jì)算不同堿基間的吸引力大小，以及如何搭配才能使分子趨于最穩(wěn)態(tài)。不久，格里菲斯告訴他們，理論計(jì)算表明A吸引T，G吸引C?？死锟肆⒖滔氲?，A吸引B、B吸引A，這樣相互形成的專一性配對(duì)不就能解釋鏈的復(fù)制嗎。那么，怎樣把堿基互補(bǔ)和DNA分子的三維結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)呢？克里克動(dòng)腦筋的速度實(shí)在太快了，甚至連格里菲斯所講的相互間吸引力最大的堿基對(duì)是什么都沒(méi)有記住。

第二件，也是在那年六七月間，哥倫比亞大學(xué)教授查伽夫（E.Chargaff）訪問(wèn)劍橋，來(lái)到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室。肯德魯(J.C.Kendrew)把兩位年輕人介紹給查伽夫。這是一次非常重要的會(huì)見(jiàn)，克里克多年后記述了這次會(huì)見(jiàn)：“起初，我們談了許多有關(guān)蛋白質(zhì)的問(wèn)題，后來(lái)我問(wèn)及核酸研究現(xiàn)狀，查伽夫頓了一下說(shuō)：?一句話說(shuō)完，就是1:1。? 我又問(wèn)1:1是什么意思，他說(shuō)：?文章已經(jīng)發(fā)表了。? 毫無(wú)疑問(wèn)，我漏讀了查伽夫的重要文章，感到茫然若失。他又補(bǔ)充了一句：?這是電效應(yīng)的緣故。?我突然閃現(xiàn)了一個(gè)念頭，?天哪！1:1不就是互補(bǔ)配對(duì)嗎？?他還講了些什么，我一點(diǎn)也沒(méi)有聽(tīng)見(jiàn)。告別了查伽夫，我立刻去找格里菲斯，請(qǐng)他再告訴我，理論計(jì)算表明哪兩種堿基間吸引力最大。我轉(zhuǎn)而去查閱查伽夫的文章，頓時(shí)驚呆了：格里菲斯算出來(lái)的堿基對(duì)A配T、G配C，正是查伽夫?qū)嶒?yàn)中克分子量呈現(xiàn)1:1比例的堿基對(duì)?！边@就是著名的查伽夫當(dāng)量定律，即分子數(shù)A＝T、G＝C。

第三件，沃森和克里克成功地運(yùn)用了鮑林(L.C.Pauling)提出的生物大分子結(jié)構(gòu)分析方法。鮑林根據(jù)量子力學(xué)原理，提出了作為量子化學(xué)基石的化學(xué)鍵理論，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中提出了肽鏈折疊通過(guò)氫鍵形成α螺旋的學(xué)說(shuō)。他通過(guò)多肽鏈基本構(gòu)件的拼裝組合，構(gòu)建出符合蛋白質(zhì)晶體X射線衍射分析圖像的結(jié)構(gòu)模型，并據(jù)此建立了結(jié)構(gòu)分析的所謂“第一性原理”，又稱逼近法。它要求從生物大分子最基本的構(gòu)件出發(fā)，運(yùn)用化學(xué)規(guī)律找出構(gòu)件間可能形成的所有排列方式，特別要考慮對(duì)整個(gè)大分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有決定作用的氫鍵的形成方式；再將所獲得的各種理論模型與X射線圖像一一對(duì)比，不斷修正，并決定取舍。兩人運(yùn)用逼近法測(cè)定各種嘌呤和嘧啶的大小、堿基對(duì)的排列、氫鍵的引力，以及DNA分子直徑、螺距、鍵角等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，再與衍射圖像一一對(duì)比，不斷校正，逐步逼近真實(shí)狀態(tài)。值得一提的是，鮑林當(dāng)時(shí)也在構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型。威爾金斯（M.Wilkins）和富蘭克林（R.Franklin）也在利用衍射圖像分析DNA的結(jié)構(gòu)，與沃森和克里克保持著經(jīng)常的聯(lián)系和深入交流。威爾金斯和富蘭克林的思路與鮑林不同，他們作為晶體結(jié)構(gòu)學(xué)家，總是先從衍射圖像中的點(diǎn)及點(diǎn)的密集程度出發(fā)，并考慮衍射點(diǎn)的分布特點(diǎn)，經(jīng)數(shù)學(xué)變換，將衍射圖像詮釋為分子中的各種化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)、鍵角等結(jié)構(gòu)要素。1953年2月，沃森和克里克從富蘭克林的X射線衍射圖像分析，雖然還不能肯定DNA是雙鏈還是三鏈，卻已明白在DNA的螺旋結(jié)構(gòu)中糖磷酯骨架在外側(cè)，堿基在分子內(nèi)部。這是非常重要的發(fā)現(xiàn)，鮑林的錯(cuò)誤之一就是認(rèn)為糖磷酯鍵在分子中央。

現(xiàn)在，橫在沃森和克里克面前的問(wèn)題是DNA分子究竟由幾條鏈組成，這些鏈又是怎樣相互連接的。

第四件事，有機(jī)分子在不同的條件下往往具有不同的構(gòu)型，它們互為異構(gòu)體。當(dāng)時(shí)，沃森和克里克畫(huà)在草圖上的堿基只是若干種異構(gòu)體中的一種，這種結(jié)構(gòu)很難同時(shí)符合分子的幾何結(jié)構(gòu)要求和化學(xué)穩(wěn)定性要求。他們?nèi)フ?qǐng)教實(shí)驗(yàn)室的訪問(wèn)學(xué)者多諾休（J.Donohue）。多諾休是曾和鮑林共事的量子化學(xué)家，他看了沃森的草圖后，指出他們畫(huà)的堿基構(gòu)型屬于烯醇式，應(yīng)該改為酮式異構(gòu)體。這真是神來(lái)之筆！克里克在回憶中寫(xiě)道：“多諾休和沃森站在黑板旁邊，我坐在辦公桌一側(cè)。突然，我看到了一幅堿基對(duì)互補(bǔ)的圖像，它能解釋1:1。太妙了，真是再美不過(guò)了！就在1953年2月20日星期五的這一刻，我們都明白了，堿基在分子內(nèi)部，它們是靠氫鍵來(lái)專一性配對(duì)的?！?/p>

沃森很快發(fā)現(xiàn)，在酮式結(jié)構(gòu)情況下，A-T堿基對(duì)與G-C堿基對(duì)長(zhǎng)度相等，又恰恰與DNA分子的直徑相當(dāng)，這使沃森和克里克確信DNA是雙鏈而不是三鏈。

沃森和克里克花了整整一個(gè)星期來(lái)設(shè)計(jì)DNA結(jié)構(gòu)模型，測(cè)量了兩種堿基對(duì)和DNA長(zhǎng)鏈上每一種鍵的旋轉(zhuǎn)角度，并和X射線衍射圖像一一對(duì)比，不斷修正。沃森以驚人的記憶力把從威爾金斯和富蘭克林實(shí)驗(yàn)室得到的新的信息全部融入了這個(gè)模型，克里克以他特有的思想和表達(dá)能力把一切都記錄下來(lái)。他們的合作真是到了水乳交融、你我不分的地步。成功的模型

3月29日是三月份最后一個(gè)周末，兩人終于完成了文稿。但因秘書(shū)休假，沃森請(qǐng)正在英國(guó)度假的姐姐幫忙打字，姐弟倆整整忙了一個(gè)下午。沃森對(duì)姐姐說(shuō)：“我們的工作，稱得上是達(dá)爾文進(jìn)化論發(fā)表以來(lái)，生物學(xué)中最為轟動(dòng)的事件。”

4月1日，他們把文章送給實(shí)驗(yàn)室主任布拉格（W.L.Bragg）。布拉格非常高興，原因至少有兩條：第一，這件了不起的事是在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室完成的，而不是在鮑林的實(shí)驗(yàn)室；第二，他和他父親所建立的晶體X射線衍射分析方法，在探索生命本質(zhì)的研究中發(fā)揮了十分重要的作用。布拉格對(duì)文章作了少許文字修飾，附了一封推薦信，在4月2日就發(fā)往《自然》周刊。鮑林聞?dòng)崟r(shí)正在赴布魯塞爾開(kāi)會(huì)途中，特地于4日趕到劍橋。他仔細(xì)看了模型，又看了富蘭克林的DNA衍射照片，當(dāng)即向兩位年輕人祝賀。布拉格主任設(shè)宴歡慶。

1953年4月25日，《自然》周刊發(fā)表了這篇僅有900多字的文章：DNA的分子結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)模型的要義是：DNA是一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的雙鏈分子，由兩條同軸反向相互纏繞的多核苷酸鏈組成，外側(cè)是由脫氧核糖和磷酸根組成的分子骨架，中間是由互補(bǔ)的堿基對(duì)組成的階梯，堿基配對(duì)方式是A配T，C配G；堿基對(duì)間距為0.34納米，每10個(gè)堿基對(duì)形成一個(gè)螺旋周期，螺旋直徑為1納米。這個(gè)模型既能從螺旋性、分子直徑、堿基對(duì)的幾何學(xué)尺度等方面闡明X射線衍射圖像，又能以堿基專一性互補(bǔ)配對(duì)來(lái)解釋查伽夫當(dāng)量定律。

這個(gè)模型不但外形美，更有內(nèi)在的科學(xué)美。它的科學(xué)美體現(xiàn)在兩個(gè)方面。第一，堿基配對(duì)的專一性保證了復(fù)制的高度精確性，只要一條鏈上的堿基序列確定了，其互補(bǔ)鏈上的堿基序列也隨之確定了；第二，就一條鏈而言，模型并不限制堿基排列順序，這保證了DNA可以負(fù)載無(wú)窮多樣的遺傳信息。這充分體現(xiàn)了基因的屬性：變異的無(wú)窮多樣性和復(fù)制的高度精確性。1962年，沃森、克里克因發(fā)現(xiàn)DNA分子結(jié)構(gòu)，與改進(jìn)了X射線衍射技術(shù)的威爾金斯一起獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)。

也許大家會(huì)問(wèn)：沃森和克里克為什么會(huì)成功？

從X射線衍射分析技術(shù)看，沃森和克里克是不及威爾金斯和富蘭克林的；就結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)而言，沃森和克里克更不是鮑林的對(duì)手。沃森和克里克能夠在這場(chǎng)科學(xué)競(jìng)賽中取勝，靠的是兩人的合作，靠的是知識(shí)和能力的互補(bǔ)，靠的是博采眾家之長(zhǎng)。這對(duì)組合最強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)是把物理和化學(xué)的研究資料都放到生物學(xué)背景上去考慮，時(shí)刻牢記DNA是遺傳物質(zhì)，搞清楚DNA分子結(jié)構(gòu)，就是為了在分子水平上闡明基因的自體催化和異體催化。迄今為止，搞清楚結(jié)構(gòu)的大分子不計(jì)其數(shù)，結(jié)構(gòu)之復(fù)雜、精度之高都大大超出雙螺旋模型，有不少也得了諾貝爾獎(jiǎng)。但全世界唯獨(dú)把1953年4月25日來(lái)紀(jì)念，并把2003年4月25日定為國(guó)際DNA日，就是因?yàn)檫@個(gè)模型深刻的生物學(xué)內(nèi)涵——它揭示了生命的分子本質(zhì)，揭示了DNA的生物學(xué)之魂！

第三篇：X射線衍射儀結(jié)構(gòu)與工作原理

X射線衍射儀結(jié)構(gòu)與工作原理

1、測(cè)角儀的工作原理

測(cè)角儀在工作時(shí)，X射線從射線管發(fā)出，經(jīng)一系列狹縫后，照射在樣品上產(chǎn)生衍射。計(jì)數(shù)器圍繞測(cè)角儀的軸在測(cè)角儀圓上運(yùn)動(dòng)，記錄衍射線，其旋轉(zhuǎn)的角度即2θ，可以從刻度盤(pán)上讀出。與此同時(shí)，樣品臺(tái)也圍繞測(cè)角儀的軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)速的1/2。為什么？

為了能增大衍射強(qiáng)度，衍射儀法中采用的是平板式樣品，以便使試樣被X射線照射的面積較大。這里的關(guān)鍵是一方面試樣要滿足布拉格方程的反射條件。另一方面還要滿足衍射線的聚焦條件，即使整個(gè)試樣上產(chǎn)生的X衍射線均能被計(jì)數(shù)器所接收。

在理想的在理想情況下，X射線源、計(jì)數(shù)器和試樣在一個(gè)聚焦圓上。且試樣是彎曲的，曲率與聚焦圓相同。對(duì)于粉末多晶體試樣，在任何方位上總會(huì)有一些（hkl）晶面滿足布拉格方程產(chǎn)生反射，而且反射是向四面八方的，但是，那些平行于試樣表面的晶面滿足布拉格方程時(shí)，產(chǎn)生衍射，且滿足入射角=反射角的條件。由平面幾何可知，位于同一圓弧上的圓周角相等，所以，位于試樣不同部位M，O，N處平行于試樣表面的（hkl）晶面，可以把各自的反射線會(huì)聚到F點(diǎn)（由于S是線光源，所以廠點(diǎn)得到的也是線光源）。這樣便達(dá)到了聚焦的目的。在測(cè)角儀的實(shí)際工作中，通常X射線源是固定不動(dòng)的。計(jì)數(shù)器并不沿聚焦圓移動(dòng)，而是沿測(cè)角儀圓移動(dòng)逐個(gè)地對(duì)衍射線進(jìn)行測(cè)量。因此聚焦圓的半徑一直隨著2θ角的變化而變化。在這種情況下，為了滿足聚焦條件，即相對(duì)試樣的表面，滿足入射角=反射角的條件，必須使試樣與計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度保持1:2的速度比。不過(guò)，在實(shí)際工作中，這種聚焦不是十分精確的。因?yàn)椋瑢?shí)際工作中所采用的樣品不是弧形的而是平面的，并讓其與聚焦圓相切，因此實(shí)際上只有一個(gè)點(diǎn)在聚焦圓上。這樣，衍射線并非嚴(yán)格地聚集在F點(diǎn)上，而是有一定的發(fā)散。但這對(duì)于一般目的而言，尤其是2θ角不大的情況下（2θ角越小，聚焦圓的曲率半徑越大，越接近于平面），是可以滿足要求的。

2、X射線探測(cè)器

衍射儀的X射線探測(cè)器為計(jì)數(shù)管。它是根據(jù)X射線光子的計(jì)數(shù)來(lái)探測(cè)衍射線是存在與否以及它們的強(qiáng)度。它與檢測(cè)記錄裝置一起代替了照相法中底片的作用。其主要作用是將X射線信號(hào)變成電信號(hào)。探測(cè)器的有不同的種類(lèi)。有使用氣體的正比計(jì)數(shù)器和蓋革計(jì)數(shù)器和固體的閃爍計(jì)數(shù)器和硅探測(cè)器。目前最常用的是閃爍計(jì)數(shù)器，在要求定量關(guān)系較為準(zhǔn)確的場(chǎng)合下一般使用正比計(jì)數(shù)器。蓋革計(jì)數(shù)器現(xiàn)在已經(jīng)很少用了。

1）正比計(jì)數(shù)器和蓋革計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)管有玻璃的外殼，內(nèi)充填惰性氣體（如氬、氪、氙等）。陰極為一金屬圓筒，陽(yáng)極為共軸的金屬絲。為窗口，由云母或鐵等低吸收系數(shù)材料制成。陰、陽(yáng)極之間保持一個(gè)電位差，對(duì)正比計(jì)數(shù)管，這個(gè)電位差為600至900伏。

X射線光子能使氣體電離，所產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)，這些高速的電子足以再使氣體電離，而新產(chǎn)生的電子又可引起更多氣體電離，于是出現(xiàn)電離過(guò)程的連鎖反應(yīng)。在極短時(shí)間內(nèi)，所產(chǎn)生的大量電子便會(huì)涌向陽(yáng)板金屬絲，從而出現(xiàn)一個(gè)可以探測(cè)到的脈沖電流。這樣，一個(gè)X射線光子的照射就有可能產(chǎn)生大量離子，這就是氣體的放大作用。計(jì)數(shù)管在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)稱為計(jì)數(shù)率，它的大小與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)管的X射線光子數(shù)成正比，亦即與X射線的強(qiáng)度成正比。

正比計(jì)數(shù)器所繪出的脈沖大?。}沖的高度）和它所吸收的X射線光子能量成正比。因此，只要在正比計(jì)數(shù)器的輸出電路上加上一個(gè)脈高分析器（脈沖幅度分析器），對(duì)所接收的脈沖按其高度進(jìn)行甑別，就可獲得只由某一波長(zhǎng)X射線產(chǎn)生的脈沖。然后對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。從而排除其它波長(zhǎng)的幅射（如白色X射線、樣品的熒光幅射）的影響。正由于這一點(diǎn)，正比計(jì)數(shù)器測(cè)定衍射強(qiáng)度就比較可靠。

正比計(jì)數(shù)器反應(yīng)極快，它對(duì)兩個(gè)連續(xù)到來(lái)的脈沖的分辨時(shí)間只需10-6秒。光子計(jì)數(shù)效率很高，在理想的情況下沒(méi)有計(jì)數(shù)損失。正比計(jì)數(shù)器性能穩(wěn)定，能量分辨率高，背底脈沖極低。

正比計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)在于對(duì)溫度比較敏感，計(jì)數(shù)管需要高度穩(wěn)定的電壓，又由于雪崩放電所引起電壓的瞬時(shí)脫落只有幾毫優(yōu)，故需要強(qiáng)大的放大設(shè)備。

蓋革計(jì)數(shù)器與正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與原理相似。但它的氣體放大倍數(shù)很大，輸出脈沖的大小與入射X射線的能量無(wú)關(guān)。對(duì)脈沖的分辨率較低，因此具有計(jì)數(shù)的損失。2）閃爍計(jì)數(shù)管

閃爍計(jì)數(shù)管是利用X射線激發(fā)某此晶體的熒光效應(yīng)來(lái)探測(cè)X射線的。它由首先將接收到的X射線光子轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光光子，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?，然后形成電脈沖而進(jìn)行計(jì)數(shù)的。

它主要由閃爍體和光電倍增管兩部分組成。閃爍體是一種在受到X射線光子轟擊時(shí)能夠發(fā)出可見(jiàn)光熒光的晶體，最常用的是用鉈活化的碘化鈉Nal（TI）單晶體。光電倍增管的作用則是將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖。閃爍晶體位于光電倍增器的面上，其外側(cè)用鈹箔密封，以擋住外來(lái)的可見(jiàn)光，但可讓X射線較順利通過(guò)。當(dāng)閃爍晶體吸收了X射線光子后，即發(fā)出閃光（可見(jiàn)的熒光光子），后者投射到光電信增器的光敏陰極上，使之迸出光電子。然后在電場(chǎng)的驅(qū)使下，這些電子被加速并轟擊光電信增器的第一個(gè)倍增極（它相對(duì)于陰極具有高出約100V的正電位），并由于次級(jí)發(fā)射而產(chǎn)生附加電子。在光電信增器中通常有10或11個(gè)倍增級(jí)，每一個(gè)倍增極的正電位均較其前～個(gè)高出約100V。于是電子依次經(jīng)過(guò)各個(gè)倍增極，、最后在陽(yáng)板上便可收結(jié)到數(shù)量極其巨大的電子，從而產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，其數(shù)量級(jí)可達(dá)幾伏。產(chǎn)生的脈沖的數(shù)量與入射的X射線光子的數(shù)目有關(guān)，亦即與X射線的強(qiáng)度有關(guān)。因此它可以用來(lái)測(cè)量X射線的強(qiáng)度。同時(shí)，脈沖的大小與X射線的能量有關(guān)，因此，它也可象正比計(jì)數(shù)器那樣，用一個(gè)脈高分析器，對(duì)所接收的脈沖按其高度進(jìn)行甑別。

閃爍計(jì)數(shù)器的反應(yīng)很快，其分辨時(shí)間達(dá)10-8秒。因而在計(jì)數(shù)率達(dá)到10-5次/秒以下時(shí)，不會(huì)有計(jì)數(shù)的損失。閃爍計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)是背底脈沖高。這是因?yàn)榧词乖跊](méi)有X射線光電子進(jìn)入計(jì)數(shù)管時(shí)，仍會(huì)產(chǎn)生“無(wú)照電流”的脈沖。其來(lái)源為光敏陰極因熱離子發(fā)射而產(chǎn)生的電子。此外，閃爍計(jì)數(shù)器的價(jià)格較貴。晶體易于受潮解而失效。除了氣體探測(cè)器和閃爍探測(cè)器外，近年來(lái)一些高性能衍射儀采用固體探測(cè)器和陣列探測(cè)器。固體探測(cè)器，也稱為半導(dǎo)體探測(cè)器，采用半導(dǎo)體原理與技術(shù)，研制的鋰漂移硅Si（Li）或鋰漂移鍺Ge（Li）固體探測(cè)器，固體探測(cè)器能量分辨率好，X光子產(chǎn)生的電子數(shù)多。固體探測(cè)器是單點(diǎn)探測(cè)器，也就是說(shuō)，在某一時(shí)候，它只能測(cè)定一個(gè)方向上的衍射強(qiáng)度。如果要測(cè)不止一個(gè)方向上的衍射強(qiáng)度，就要作掃描，即要一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地測(cè)，掃描法是比較費(fèi)時(shí)間?，F(xiàn)已發(fā)展出一些一維的（線型）和二維（面型）陣列探測(cè)器來(lái)滿足此類(lèi)快速、同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)要求。所謂陣列探測(cè)器就是將許多小尺寸（如50μm）的固體探測(cè)器規(guī)律排列在一條直線上或一個(gè)平面上，構(gòu)成線型或平面型陣列式探測(cè)器。陣列探測(cè)器一般用硅二極管制作。這種一維的（線型）或二維的（面型）陣列探測(cè)器，既能同時(shí)分別記錄到達(dá)不同位置上的X射線的能量和數(shù)量，又能按位置輸出到達(dá)的X射線強(qiáng)度的探測(cè)器。陣列探測(cè)器不但能量分辨率好，靈敏度高，且大大提高探測(cè)器的掃描速度，特別適用于X射線衍射原位分析。

3、X射線檢測(cè)記錄裝置

這一裝置的作用是把從計(jì)數(shù)管輸送來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚⒔Y(jié)果加以顯示或記錄。它由一系列集成電路或晶體管電路組成。其典型的裝置如圖所示。

由計(jì)數(shù)管所產(chǎn)生的低壓脈沖，首先在前置放大器中經(jīng)過(guò)放大，然后傳送到線性放大器和脈沖整形器中放大、整形，轉(zhuǎn)變成其脈高與所吸收 X射線光子的能量成正比的矩形脈沖。輸出的矩形脈沖波再通過(guò)脈高甄別器和脈高分析器，把脈高不符合于指定要求的脈沖甄別開(kāi)，只讓其脈高與所選用的單色X射級(jí)光子的能量相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)通過(guò)。所通過(guò)的那些脈高均一的矩形脈沖波可以同時(shí)分別輸往脈沖平均電路和計(jì)數(shù)電路。

脈沖平均電路的作用是使在時(shí)間間隔上無(wú)規(guī)則地輸入的脈沖減為穩(wěn)定的脈沖平均電流，后者的起伏大小與平均脈沖速率成正比，亦即與接收到的 X射線的強(qiáng)度成正比。脈沖平均電路具有一個(gè)可調(diào)的電容來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)RC的大小。RC大，脈沖電流的平波效應(yīng)就強(qiáng)，電流隨時(shí)間變化的細(xì)小差別相應(yīng)減小。RC小，則可以提高對(duì)這些細(xì)節(jié)的分辨能力。由脈沖平均電路輸出的平均電流，然后饋送給計(jì)數(shù)率儀和長(zhǎng)圖自動(dòng)記錄儀。從計(jì)數(shù)率儀的微安計(jì)上可以直接讀得脈沖平均電流的大小。長(zhǎng)圖自動(dòng)記錄儀把電流的起伏轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢徊畹淖兓?，并帶?dòng)記錄筆畫(huà)出相應(yīng)的曲線，而記錄紙的走紙速度則與計(jì)數(shù)管繞測(cè)角計(jì)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的速度（掃描速度）成正比關(guān)系。所以長(zhǎng)圖自動(dòng)記錄僅能夠以強(qiáng)度分布曲線的形式自動(dòng)記錄下X射線衍射強(qiáng)度隨衍射角2θ的變化，提供直觀而又可以永久保存的衍射圖譜。

計(jì)數(shù)電路由定標(biāo)器和定時(shí)器組成。定標(biāo)器的作用是對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。定標(biāo)器與定時(shí)器相配合，可以定時(shí)計(jì)數(shù)（在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)），也可以定標(biāo)計(jì)時(shí)（計(jì)算達(dá)到預(yù)定計(jì)數(shù)數(shù)目時(shí)所需的時(shí)間。定標(biāo)一定時(shí)電路的輸出可有幾種不同的方式來(lái)顯示或記錄。一是由數(shù)碼管直接顯示出數(shù)字，它允許顯示一定位數(shù)以內(nèi)的任何累計(jì)計(jì)數(shù)，二是由數(shù)字打印器把結(jié)果打印出來(lái)。目前的衍射儀都用計(jì)算機(jī)將這些信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)處理。如福州大學(xué)材料學(xué)院的日本島津XD-5A型X射線粉末衍射儀經(jīng)過(guò)改造，可由計(jì)算機(jī)控制和設(shè)定參數(shù)，以及圖譜記錄、處理。下圖是計(jì)算機(jī)記錄的圖譜，橫坐標(biāo)為衍射峰位置2θ角，縱坐標(biāo)為衍射峰強(qiáng)度的光子數(shù)量，以cps表示。

第四篇：X射線衍射（范文）

X射線衍射

（大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程系 10級(jí)物理學(xué)一班 周瑞勇 201001071465）

摘 要：X射線受到原子核外電子的散射而發(fā)生的衍射現(xiàn)象。由于晶體中規(guī)則的原子排列就會(huì)產(chǎn)生規(guī)則的衍射圖像，可據(jù)此計(jì)算分子中各種原子間的距離和空間排列，是分析大分子空間結(jié)構(gòu)有用的方法。

關(guān)鍵詞：核外電子 散射 衍射 空間排列

一

前言

1912年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見(jiàn)，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了X射線與晶體相遇時(shí)能發(fā)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線具有電磁波的性質(zhì)，成為X射線衍射學(xué)的第一個(gè)里程碑。當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)有X射線衍射分析相同數(shù)量級(jí)，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這就是X射線衍射的基本原理。

X射線及其衍射X射線是一種波長(zhǎng)很短(約為20～0.06埃)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用高能電子束轟擊金屬“靶”材產(chǎn)生X射線，它具有與靶中元素相對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)，稱為特征（或標(biāo)識(shí)）X射線。如通常使用的靶材對(duì)應(yīng)的X射線的波長(zhǎng)大約

為1.5406埃。考慮到X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子面間的距離相近，1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M.von Laue)提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見(jiàn)：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當(dāng)一束 X射線通過(guò)晶體時(shí)將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見(jiàn)隨即為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。

二 發(fā)展

X射線是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1895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。

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，1905年和1909年，巴克拉曾先后發(fā)現(xiàn)X射線的偏振現(xiàn)象，但對(duì)X射線究竟是一種電磁波還是微粒輻射，仍不清楚。1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線通過(guò)晶體時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，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。

勞厄的文章發(fā)表不久，就引起英國(guó)布拉格父子的關(guān)注，當(dāng)時(shí)老布拉格（WH．Bragg）已是利茲大學(xué)的物理學(xué)教授，而小布拉格（WL．Bragg）則剛從劍橋大學(xué)畢業(yè)，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。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。年輕的小布拉格經(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，并提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino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，年僅22歲的小布位格以《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。老布拉格則于1913年元月設(shè)計(jì)出第一臺(tái)X射線分光計(jì)，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)是一個(gè)非常重要的事件，它充分顯示了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。

三 原理與應(yīng)用

1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu),并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格方程：

2d sinθ=nλ

式中λ為X射線的波長(zhǎng)，n為任何正整數(shù)。

當(dāng)X射線以掠角θ(入射角的余角)入射到某一點(diǎn)陣晶格間距為d的晶面上時(shí),在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線。布拉格方程簡(jiǎn)潔直觀地表達(dá)了衍射所必須滿足的條件。當(dāng) X射線波長(zhǎng)λ已知時(shí)(選用固定波長(zhǎng)的特征X射線)，采用細(xì)粉末或細(xì)粒多晶體的線狀樣品,可從一堆任意取向的晶體中，從每一θ角符合布拉格方程條件的反射面得到反射,測(cè)出θ后，利用布拉格方程即可確定點(diǎn)陣晶面間距、晶胞大小和類(lèi)型;根據(jù)衍射線的強(qiáng)度,還可進(jìn)一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。這便是X射線結(jié)構(gòu)分析中的粉末法或德拜-謝樂(lè)(Debye—Scherrer)法的理論基礎(chǔ)。而在測(cè)定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動(dòng)（即θ不變）,以輻射束的波長(zhǎng)作為變量來(lái)保證晶體中一切晶面都滿足布拉格方程的條件,故選用連續(xù)X射線束。如果利用結(jié)構(gòu)已知的晶體，則在測(cè)定出衍射線的方向θ后,便可計(jì)算X射線的波長(zhǎng)，從而判定產(chǎn)生特征X射線的元素。這便是X射線譜術(shù),可用于分析金屬和合金的成分。

X射線衍射在金屬學(xué)中的應(yīng)用 X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，很快被用于研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了許多具有重大意義的結(jié)果。如韋斯特格倫（A.Westgren）(1922年)證明α、β和δ鐵都是立方結(jié)構(gòu)，β-Fe并不是一種新相;而鐵中的α─→γ

轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是由體心立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄w，從而最終否定了β-Fe硬化理論。隨后,在用X射線測(cè)定眾多金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在相圖測(cè)定以及在固態(tài)相變和范性形變研究等領(lǐng)域中均取得了豐碩的成果。如對(duì)超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了對(duì)合金中有序無(wú)序轉(zhuǎn)變的研究，對(duì)馬氏體相變晶體學(xué)的測(cè)定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關(guān)系；對(duì)鋁銅合金脫溶的研究等等。目前 X射線衍射(包括散射)已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。在金屬中的主要應(yīng)用有以下方面。

四 物相分析與取向分析

物相分析 是 X射線衍射在金屬中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對(duì)材料測(cè)得的點(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)相比較，確定材料中存在的物相；后者則根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，確定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的關(guān)系和檢查材料的成分配比及隨后的處理規(guī)程是否合理等方面都得到廣泛應(yīng)用。

取向分析 包括測(cè)定單晶取向和多晶的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)擇優(yōu)取向）。測(cè)定硅鋼片的取向就是一例。另外，為研究金屬的范性形變過(guò)程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動(dòng)等，也與取向的測(cè)定有關(guān)。

晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應(yīng)力的測(cè)定 由衍射花樣的形狀和強(qiáng)度可計(jì)算晶粒和微應(yīng)力的大小。在形變和熱處理過(guò)程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。

宏觀應(yīng)力的測(cè)定 宏觀殘留應(yīng)力的方向和大小，直接影響機(jī)器零件的使用壽命。利用測(cè)量點(diǎn)陣平面在不同方向上的間距的變化，可計(jì)算出殘留應(yīng)力的大小和方向。

對(duì)晶體結(jié)構(gòu)不完整性的研究 包括對(duì)層錯(cuò)、位錯(cuò)、原子靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（見(jiàn)晶體缺陷）。

合金相變 包括脫溶、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變、母相新相的晶體學(xué)關(guān)系，等等。

結(jié)構(gòu)分析 對(duì)新發(fā)現(xiàn)的合金相進(jìn)行測(cè)定，確定點(diǎn)陣類(lèi)型、點(diǎn)陣參數(shù)、對(duì)稱性、原子位置等晶體學(xué)數(shù)據(jù)。

液態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬 研究非晶態(tài)金屬和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，如測(cè)定近程序參量、配位數(shù)等。

特殊狀態(tài)下的分析 在高溫、低溫和瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)分析。

此外，小角度散射用于研究電子濃度不均勻區(qū)的形狀和大小,X射線形貌術(shù)用于研究近完整晶體中的缺陷如位錯(cuò)線等，也得到了重視。

五 最新進(jìn)展

X射線分析的新發(fā)展 金屬X射線分析由于設(shè)備和技術(shù)的普及已逐步變成金屬研究和材料測(cè)試的常規(guī)方法。早期多用照相法，這種方法費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，強(qiáng)度測(cè)量的精確度低。50年代初問(wèn)世的計(jì)數(shù)器衍射儀法具有快速、強(qiáng)度測(cè)量準(zhǔn)確，并可配備計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但使用單色器的照相法在微量樣品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。從70年代以來(lái)，隨著高強(qiáng)度X射線源（包括超高強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線發(fā)生器、電子同步加速輻射,高壓脈沖X射線源）和高靈敏度探測(cè)器的出現(xiàn)以及電子計(jì)算機(jī)分析的應(yīng)用，使金屬 X射線學(xué)獲得新的推動(dòng)力。這些新技術(shù)的結(jié)合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進(jìn)行瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)觀察以及對(duì)更為微弱或精細(xì)效應(yīng)的研究。

參考文獻(xiàn)：

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第五篇：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對(duì)生物技術(shù)的影響

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對(duì)生物技術(shù)的影響

生工1202 陸晴川（3120100400）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出開(kāi)始，便開(kāi)啟了以遺傳學(xué)為中心的分子生物學(xué)時(shí)代。分子生物學(xué)使生物大分子的研究進(jìn)入一個(gè)新的階段，使遺傳的研究深入到分子層次，“生命之謎”被打開(kāi)，人們清楚地了解遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑.在以后的近50年里，分子遺傳學(xué)，分子免疫學(xué)，細(xì)胞生物學(xué)等新學(xué)科如雨后春筍般出現(xiàn)，一個(gè)又一個(gè)生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明，DNA重組技術(shù)更是為利用生物工程手段的研究和應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。在此基礎(chǔ)上相繼產(chǎn)生了基因工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程等，這些生物技術(shù)的發(fā)展必將使人們利用生物規(guī)律造福于人類(lèi)。

在我看來(lái)，對(duì)生物技術(shù)的影響主要有以下幾類(lèi)。

DNA檢測(cè)技術(shù)。這個(gè)可以用在親子鑒定，犯罪現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)。目前轉(zhuǎn)基因經(jīng)常在報(bào)紙上出現(xiàn)，主要是民眾對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的安全性有懷疑。

克隆技術(shù)，如克隆魚(yú)，克隆細(xì)胞，克隆羊多莉等。

基因治療：遺傳病的基因治療是指應(yīng)用基因工程技術(shù)將正?；蛞牖颊呒?xì)胞內(nèi)，以糾正致病基因的缺陷而根治遺傳病。