关于X射线的衍射的发现及其启示

关于X射线的衍射的发现及其启示
摘要：本文通过对X射线的衍射的发现历史的回顾,对X射线的衍射做了深入的探讨,并对布拉格公式的推导作了详细的说明,最后,对当时的学术氛围作了讨论,希望可以对我们现在的研究工作者有所启示.
关键词：X射线衍射启示
引言：当老师上课时讲到布拉格公式及射线的衍射图像时,直接给我们出示了演示图像,然后就讲下面的内容了,并没有详细的讲解衍射是如何产生的,当时上课时我就听得很糊涂,所以想要弄清楚到底是怎么一回事,而在图书馆无意中发现了布拉格写的书,于是引起了我的兴趣,所以以我自己的理解写成了这片文章,在写的过程中,对他们的一些经历特别是在研究过程中的一些经验引起了我的一些思考,由此产生了第四部分内容即该历史对我们的启示,纯属个人浅薄意见,可行性不大,
一早期X射线衍射试验
衍射试验的发现极具偶然性,当时厄瓦耳(P.P.Ewald)再写博士论文,,他在对光在晶体中的衍射作数学分析,于是请教劳厄(ue)在讨论中,提出了原子间距小的问题,后来听到了关于X射线衍射的消息,劳厄觉得X射线应该满足该条件,在一次非正式交谈中,索末菲的助手弗里德里希(W.Friedrich)表示愿意做该试验,在劳厄的鼓动下, 弗利德里希和克尼平(Knipping)做了试验,装置如图:
X射线经小孔照射到晶体上,.然后用底片接收衍射图像,
图为最早的一张X射线衍射照片,改变底片位置,衍射图形也会改变,但点的大小不变,它的各种行为,就如衍射所预计的一样,,而当晶体的粉碎,装在小纸袋里放回原处,则点状图案就不见了,
后来把晶体换成对称性高的闪锌矿(ZnS)所得结果如图,
具有完整的四重对称,反映了晶体的原子点阵的对称性,虽然由于当时对X射线认识还不够充分,劳厄的解释也不十分令人满意(事实上在今天看来,他的解释是错误的)但是他所做的主要结论是正确的,即斑点是由衍射而形成的.至此, X射线的波动性得到了确证.
二布拉格的探索
布拉格说,在劳厄发表他的结果之后,他首先设计试验,验证了一下照片上的斑点是否不是波动造成的,但试验证明他的假设是不对的,回到剑桥之后,他继续对劳厄的照片作了进一步的研究,他说威尔逊在卡文迪许实验室所讲的光学对他很有启发,威尔逊曾说过,光称为单色光的这种周期性,使光栅的周期性所产生的,而不是早就存在在原来的光中,这一推论对棱镜也适用,棱镜可将阳光分为各种颜色的光,事实上,我们可以说,是棱镜产生了颜色.这一推论启示布拉格得出X射线在晶体中的衍射,是由于晶格光栅作用于人于波形的辐射脉冲的结果,这样的脉冲射到晶格上,必然沿一定方向反射出去,形成衍射斑,为此,布拉格又设计了一个试验,然很细的X射线设在云母上,对于所有的入射角,都有一束辐射从云母反射出来,好像云母是一面镜子一样,由此,可直接用光栅理论解释X射线的衍射,在探索的过程中,一开始并没有取得成功,布拉格说:“我发现,尽管假定闪锌矿具有简单立方晶格,衍射图上的斑点,所表示的波段就没有意义,但是如果假定基本晶格属于面心立方,那就一切都就绪了”.后来.他又做了试验,证实了自己的想法,结果不经证实了劳厄的衍射图是波长连续的X射线造成的，而且证明X
射线能够用来获得关于晶体结构的特性的信息，为X射线分析打下了基础。

三X射线在晶体上衍射的理论解释
处在晶格上的原子或离子，其内部电子在外来电磁场的作用下，做受迫振动，成为一个新的波源，向各个方向发射电磁波，也就是说在X射线的照射下，晶体中每个个点成为一个散射中心，他们发射的电磁波频率与外来X射线频率相同彼此相干，将在空间发生干涉，这与多缝光栅问题很相似，两者都反映的是衍射屏的空间周期，区别主要在于一个是一维的，一个是三维的。

在处理三维问题时，可分为两步来处理，第一步点面干涉即处理一个晶面中各个格点之间的干涉，第二步再处理面间干涉。

(1)点面干涉
整个晶体点阵可看成是由一族相互平行的晶面组成的如下图
入射的X射线垂直于Y轴，并于晶面族成θ角，我们首先讨论0级主极大的方向，首先选出Y方向排列的格点发出的衍射线之间的零程差的条件，然后在讨论X方向排列的格点，发出的衍射线之间的零程差的条件，同时满足这两个条件的衍射方向就是三维点阵衍射的0级主极大方向。

由图可以看出，任何一组相互平行的衍射线，只要仍保持与Y轴垂直，即衍射线与入射线一样，位于与ZX面平行的平面内，则满足条件，图中的1’ 2’ 3’ 4’就是一组可能衍射线。

现在研究X方向的零程衍射线（这里只讨论平行于ZX面的衍射，因为其他衍射不满足第一个条件）。

如图所示
d a之间的光程差为△L=MD1=A1D1*cosθ,d’ a’之间的光程差为△L’=A1N=A1D1*cosθ’由此可见零程差的条件是θ=θ’所以，综上所述，二维点阵的零级主极大的方向就是以晶面为镜面的反射线方向。

(2)面间干涉不同面上的反射线之间的干涉，如图，
晶体有不同的晶面，光线1-1’和2-2’之间的光程差为△L=2d sinθ,要是产生主极大，则必须满足△L=2d sinθ=kλ这就是布拉格条件。

布拉格条件与一维光栅主极大的公式有所不同，区别在于：
◆晶体内部有许多晶面族，不同晶面族有不同取向，所以给定了入射方向，就有一系
列的布拉格条件，而一维的光栅，只有一个光栅公式。

◆在三维晶体光栅中，θ是掠射角，当入射方向与晶体取向确定后，所有晶面族的布
拉格条件中d和θ都以限定，无法预知波长λ为多少，才可以发生衍射，即在入射方向，晶体取向和入射波长给定之后，一般很可能根本就没有主极大，既看不到衍射现象。

但是，碰巧X射线衍射试验所用的X射线为连续的光谱，这样，每个晶面族的布拉格条件可以从其中选出满足他们的波长来，从而在所有晶面族的反射方向上都出现主极大，就会出现劳厄斑。

四该过程对我们的启示
伦琴发现X射线比弗利德里希和克尼平的试验早了十七年，而在这十七年中，人们对X 射线作了无数次的试验，却未发现衍射效应，主要是由于需要的曝光时间过长，实验过程耗时耗力，还不一定会有什么新结果导致试验人员没有下功夫来研究这一课题，人们很容易受到历史的局限性和客观物质条件的局限性的制约,而不能去研究那些真正重要的东西,但是,我们应该可以选择自己所感兴趣的方向,虽然有时会受到一些外在的压力,但我总觉得一个人,只有在他研究自己感兴趣的东西时,自己的聪明才智才可以发挥到极致.而我国现行的教育制度,及大学中的管理制度,为研究者提供了更大的阻力,使人们生活在申请,审批,答辩的循环中, 课题研究的时间,全部浪费在了那些毫不相干的问题上,大大浪费了好多人的时间.而现在的研究者,几乎没有自己的选择权,大家要么受潮流驱使,或利益驱使,很少可以自主选择,另一方面,我们的基础教育,严重扼杀了孩子们的好奇心,致使好多孩子已经自动放弃了选择的权利,即使有机会选择自己所喜欢的东西,他们也不知道自己究竟喜欢什么,当代学生兴趣的缺失,是十分令人担忧的.爱因斯坦曾经说过:”教育,竟然还没有完全剥夺所有孩子的好奇心,这是令人不可思议的.”他说的是标榜自由的美国,而我们国家呢?谁又可以来回答那钱学森之问,历史本来就给我们了很大的阻力,人自身本来就有很大的局限性,而我们还要人为的给自己加上更大的负担, 这些问题值得我们教育工作者,以及和教育有关的各界人士(包括政府)的反思.
弗里德里希说：“我从有关次级射线强度的经验得知，要想得出结果，需要很长的曝光时间，不然，这种现象早就被人发现了，幸运的是，多亏索末菲的合作，我们可以使用研究所的一个大型感应圈和一个高功率贡德拉赫（Gundelach）型X射线管……多亏索末菲的热情关注和照顾，我们能供进一步使用研究所的设备来完成这项工作。

”由此我们可以看出,一个科研人员对新人的关注与支持是多么的重要,这种帮助不仅体现在学术上的交流,更体现在精神上的支持,据说索末菲当时并不相信关于X射线的衍射的假说,但他还是”热情关注和照顾”, 并且提供试验所需要的设备,由此,我们可以看出,一个杰出的科学家,不仅需要科学知识与科学的素养,更重要的是,要有科学精神.即我们今天所讲到的人文精神.
在布拉格的书中有这样一句话:”劳厄当时是慕尼黑大学的非正式聘请的教师.(未经国家聘请,所以不拿国家薪金,其报酬直接来自学生学费------译者注)”我们都知道,劳厄获得过1914年的诺贝尔物理学奖,而最初,他也只是非正式聘请的教师而已,虽然他当时已经对衍射有了很深的研究,这对于我们来说,是一种莫大的安慰,同时,我们也可以看到,名声职位与贡献之间的关系.
布拉格说：“人们把这个公式成为布拉格定律，不过，我总觉得，依我的名字来命名这个关系式是对我过奖了，因为它只不过是以另一种形式出现的给出薄膜反射颜色的光学关系式而已，而这个光学关系式是众所周知的。

”我很喜欢他的这种态度,所以忍不住把这段话抄下来,从第三部分的解释可以看出,即时大家都知道这个关系式,但却没有一个人像他这样,把它应用到三维晶体中,这本该是他自己的一个成果,而他却说过奖,这种谦逊的品格,是很多科学人员所缺乏的,我们也会谦虚,但更多的时候,我们是故意谦虚给别人看的, 在谦虚的同时,心里还要想一句:"看,我多谦虚”,如何处理好谦虚与自信之间的关系,是值得讨论的.
劳厄对衍射现象的研究是如此深入,为什么当时他就没有想到这一点呢?布拉格解释说”劳厄之所以没有想到，可能是因为三维衍射具有一种一维或二维衍射颇不相同的主要本质.当波长连续的辐射照射在一维或二维光栅上时,所得到的是一个连续光谱,而在劳厄照片上出现
的斑点是不连续的,因此很容易使人认为入射辐射的波长也是不连续的,对于我来说,这个意想不到的新发现时刻的到来,与反射这个联想有关.因为脉冲总是规则反射的,与任何波长情况无关,于是不连续的斑点也就可以马上得到解释.”也许有些研究,真的有历史的偶然性在里面,有些知识,在一方面,丰富了我们的知识结构,给我们提供了更多的解决问题的方法的同时,也束缚住了我们的思想,即所谓的定式思维,所以,一项研究工作中,年龄结构的搭配也十分重要,如果有一个合理的年龄结构搭配,可能会取得意想不到的结果,不同的知识之间的交流也很重要,有时,貌似毫不相干的事情,可能会启发人得到另一种一种收获.
五意外的收获
在查阅资料的过程中,发现了一张碱金属卤化物的劳厄衍射图,十分漂亮,所以复制在这里,供大家观赏,（按次序依次为氯化钾，溴化钾，氯化钠）
由于大家对X射线的深入研究,现在X射线已经在结构分析和鉴定上发挥着重要的作用,用劳厄法可以对养殖珍珠和天然珍珠进行测定,天然珍珠呈现六次对称的衍射图谱,而有核养殖珍珠则呈现四次对称的衍射图谱,仿制珍珠无衍射图谱.而这些应用,离不开早期科学家的研究成果。

参考文献:
[1]W.L布拉格著. 杨润殷译. X射线分析的发展.北京：科学出版社，1988
[2]赵凯华著. 光学. 北京：高等教育出版社，2004
[3]祁景玉主编. X射线结构分析.上海：同济大学出版社，2003
注：第一和第五部分的图均来自参考文献[1]，第三部分的图来自参考文献[2]。