從X光觀察分子世界

摘自《X光的科學與運用》

X光繞射現象的運用開端

 1912年,馬克斯‧馮‧勞厄(Max von Laue)以X光照射硫化鋅結晶並拍攝照片。拍攝出的照片中央全黑(如下圖),這是因為X光波長比結晶間的縫隙還寬。但引人注目的是中央黑影旁有著看似人類足跡的斑點。當年科學家認為結晶是排列整齊的原子,但卻無法獲得確切證據。勞厄推測這些斑點是否正是因為結晶中原子排列規律才產生的。既然原子間的距離皆相等,而X光又具有波的性質,就足以解釋這些飛散的斑點了的實驗證明X光是一種電磁波,同時也證明了硫化鋅結晶是排列整齊的ZnS立體構造。

布拉格定律

 勞厄的實驗結果與分析馬上令許多科學家對X光繞射產生強烈興趣,威廉‧亨利‧布拉格(William Henry BraggWilliam Lawrence Bragg)父子也不例外,這兩位科學家受勞厄的啟發,以簡單的公式推導出結晶中原子排列方式與X光繞射現象的關係,從因結晶而產生繞射的X光,求得結晶中的分子、原子排列結構的方法。

 由下圖可知,結晶存在著無數的晶格面,各晶格面上發生的X光繞射皆遵循布拉格定律。因此只要能大量測定繞射X光之θ角,就必能正確推知原子的排列情形。當以X光照射結晶,只要能測定X光的繞射方向,就能了解結晶中的原子排列情形,而這也就是布拉格定律的價值所在。