布拉格定律
維基百科,自由的 encyclopedia
在物理學中,布拉格定律給出晶格的相干及不相干散射角度。當X射線入射於原子時,跟任何電磁波一樣,它們會使電子雲移動。電荷的運動把波動以同樣的頻率再發射出去(會因其他各種效應而變得有點模糊);這種現象叫瑞立散射(或彈性散射)。散射出來的波可以再相互散射,但這種進級散射在這裏是可以忽略的。當中子波與原子核或不成對電子的相干自旋進行相互作用時,會發生一種與上述電磁波相近的過程。這些被重新發射出來的波來相互干涉,可能是相長的,也可能是相消的(重疊的波某程度上會加起來產生更強的波峰,或相互消抵),在探測器或底片上產生繞射圖樣。而所產生的波干涉圖樣就是繞射分析的基本部份。這種解析叫布拉格繞射。
布拉格繞射(又稱X射線繞射的布拉格形式),最早由威廉·勞倫斯·布拉格及威廉·亨利·布拉格於1913年提出,他們早前發現了固體在反射X射線後產生的晶體線(與其他物態不同,例如液體),而這項定律正好解釋了這樣一種效應。他們發現,這些晶體在特定的波長及入射角時,反射出來的輻射會形成集中的波峰(叫布拉格尖峰)。布拉格繞射這個概念同樣適用於中子繞射及電子繞射 [1] 。中子及X射線的波長都於原子間距離(~150 pm)相若,因此它們很適合在這種長度作「探針」之用。
威廉·勞倫斯·布拉格使用了一個模型來解釋這個結果,模型中晶體為一組各自分離的平行平面,相鄰平面間的距離皆為一常數d。他的解釋是,如果各平面反射出來的X射線成相長干涉的話,那麼入射的X射線經晶體反射後會產生布拉格尖峰。當相位差為2π及其倍數時,干涉為相長的;這個條件可經由布拉格定律表示[2]:
其中n為整數,λ為入射波的波長,d為原子晶格內的平面間距,而θ則為入射波與散射平面間的夾角。注意移動中的粒子,包括電子、質子和中子,都有對應其速度及質量的德布羅意波長。
布拉格定律由物理學家威廉·勞倫斯·布拉格爵士[3]於1912年推導出來,並於1912年11月11日首度於劍橋哲學會中發表。儘管很簡單,布拉格定律確立了粒子在原子大小下的存在,同時亦為晶體研究提供了有效的新工具──X射線及中子繞射。威廉·勞倫斯·布拉格及其父,威廉·亨利·布拉格爵士獲授1915年諾貝爾物理學獎,原因為晶體結構測定的研究,他們測定了氯化鈉、硫化鋅及鑽石的結構。 他們是唯一一隊同時獲獎的父子隊伍,而威廉·勞倫斯·布拉格時年25歲,因此成了最年輕的諾貝爾獎得主。