布拉格定律
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在物理学中,布拉格定律给出晶格的相干及不相干散射角度。当X射线入射于原子时,跟任何电磁波一样,它们会使电子云移动。电荷的运动把波动以同样的频率再发射出去(会因其他各种效应而变得有点模糊);这种现象叫瑞利散射(或弹性散射)。散射出来的波可以再相互散射,但这种进级散射在这里是可以忽略的。当中子波与原子核或不成对电子的相干自旋进行相互作用时,会发生一种与上述电磁波相近的过程。这些被重新发射出来的波来相互干涉,可能是相长的,也可能是相消的(重叠的波某程度上会加起来产生更强的波峰,或相互消抵),在探测器或底片上产生衍射图样。而所产生的波干涉图样就是衍射分析的基本部分。这种解析叫布拉格衍射。
布拉格衍射(又称X射线衍射的布拉格形式),最早由威廉·劳伦斯·布拉格及威廉·亨利·布拉格于1913年提出,他们早前发现了固体在反射X射线后产生的晶体线(与其他物态不同,例如液体),而这项定律正好解释了这样一种效应。他们发现,这些晶体在特定的波长及入射角时,反射出来的辐射会形成集中的波峰(叫布拉格尖峰)。布拉格衍射这个概念同样适用于中子衍射及电子衍射 [1] 。中子及X射线的波长都于原子间距离(~150 pm)相若,因此它们很适合在这种长度作“探针”之用。
威廉·劳伦斯·布拉格使用了一个模型来解释这个结果,模型中晶体为一组各自分离的平行平面,相邻平面间的距离皆为一常数d。他的解释是,如果各平面反射出来的X射线成相长干涉的话,那么入射的X射线经晶体反射后会产生布拉格尖峰。当相位差为2π及其倍数时,干涉为相长的;这个条件可经由布拉格定律表示[2]:
其中n为整数,λ为入射波的波长,d为原子晶格内的平面间距,而θ则为入射波与散射平面间的夹角。注意移动中的粒子,包括电子、质子和中子,都有对应其速度及质量的德布罗意波长。
布拉格定律由物理学家威廉·劳伦斯·布拉格爵士[3]于1912年推导出来,并于1912年11月11日首度于剑桥哲学会中发表。尽管很简单,布拉格定律确立了粒子在原子大小下的存在,同时亦为晶体研究提供了有效的新工具──X射线及中子衍射。威廉·劳伦斯·布拉格及其父,威廉·亨利·布拉格爵士获授1915年诺贝尔物理学奖,原因为晶体结构测定的研究,他们测定了氯化钠、硫化锌及钻石的结构。 他们是唯一一队同时获奖的父子队伍,而威廉·劳伦斯·布拉格时年25岁,因此成了最年轻的诺贝尔奖得主。