布拉格定律(Bragg'sLaw)解读

➊布拉格定律（Bragg’s Law ）

要說明布接格定律，首先就要先從X 光的繞射開始說明起。依據原子排列的規則與否可分為晶體（Crystalline ）與非晶體兩類（Amorphous ）。由於在晶體內部之組成的原子（或分子）是有規則且有順序性的排列在每個平面方向上，即稱為具有高度的週期性。這些結晶物質表現（物理、光學、機械及電學性質）都直接的受到晶體內部原子排列變化的影響。所以我能們說X 光的散射能力是取決於原子內的電子數。Friedrich 使用了不均勻的X 光，對於繞射上就比較難以解釋，最後是由Bragg 父子在晶體實驗分析時，從散射的X 光分佈情況，認為可以將繞射現象解釋為入射光被晶面反射（鏡面反射），入射角等於反射角。

考慮兩個原子平行平面，X 光的入射角度為θ，X 光的波長λ就像被鏡子反射一樣，可以發現其X 光的入射角度與反射角度是相同的，如圖上A 點，為部份從表面原子被反射的光束，我們將A 、C 點視為晶格點，假定干擾光束在'RR 發生了，兩束光同步進行入射，其入射距離是有所不同的，因此，反射的產生，也會有時間差，一旦波長差是該光線波長的整數倍時，繞射現象將會發生。由圖可知，路徑IAR 與''I CR 的波長就不相同。

當必要條件為：BC CD +要等於波長的整數倍（n λ），因此我們可以推導出：

sin or sin and sin CD d CD d BC d θθθ===

最後，可以得到

2sin n d λθ=

我們可稱此為布拉格方程式或是常聽到的布拉格定律。

【Ref.】

1. X 光繞射原理及其應用，林麗娟，X 光材料分析技術與應用專題，

（/AD/ADImages/.../TF-XRD001.pdf ）。

2. 工研院奈米辭典（.tw/dict/index.jsp ）。

3. LAIDLER 、MEISER 、ANCTUARY ，PHYSICAL CHEMISTRY （FOURTH EDITION ）HOUGHTON

MIFFLIN 。

❷庖立互斥原理（Pauli exclusion principle ）

當兩個原子接近時，其電荷分佈會逐漸的重疊，以致於改變系統的靜電能。當其距離太接近時，這種重疊的能量會產生排斥的效果，這主要是由於庖立互斥原理（庖立不相容原理）。

所謂的electron spin 即為在wave function 中，得到氫原子時必需去調整。存在兩個eigen-function α與β，其滿足正交條件，wave function 主要是描述能源與軌道角動量電子ψ，必須包含自旋，所以 total wave function 為：

or total ψψαψβ= Where depending on the electron spin is in the 1122

or +- state 。 對於一個電子而言，依據正交的特性，對於電子自旋是不會影響到spin-less probability density ，

22

total ds ds ψψαψαψβψβψ=**=**=⎰⎰

Where ds refers to the spin variables ，當更多的電子存在時，其形勢就會有所改變。在量子力學當中，是不能區分相同的粒子，當兩個粒子交換時，其probability density 是不會改變的，即()()221,22,1ψψ=。當產生了一個operator 時就交換兩個相同的粒子，12P ，wave function 就會是對稱的或是反對稱的，

()()121,22,1total total P ψψ=± 我們可以把粒子的自旋分為兩類：fermions 以及bosons 。

所以可以把此原理說明成一個原子中沒有任何二個電子具有閜同的四個量子數，即為一個原子中最多只能有兩個電子佔據同一個能態，而且這兩個電子的自旋方向必須是相反的。如果兩個子電子在原子中有相同的n ，l 和i m 值時（即有兩個電

子在相同軌域中），則必有不同的s m 值。

假設存在兩個自旋狀態()1α與()1β，同時也有同樣可以有第二自旋狀態()2α與()2β，則我們可以馬上的看出來當兩個自旋具有相同的狀態時，則是違反anti-symmetrization principle ，total wave function 為：

()()()()()()()()1122 or 1122i i i i

total nlm nlm total nlm nlm ψψαψαψψβψβ== ()()()()()()()()1211222211i i i i nlm nlm nlm nlm P ψαψαψαψα=

or

()()()()()()()()1211222211i i i i nlm nlm nlm nlm P ψβψβψβψβ=

所以，此原理表明，當1s 軌域被填入兩個電子之後，其他電子只可以填往其他能階較高的空置軌域（如下圖所示）。

【Ref.】

1. LAIDLER 、MEISER 、ANCTUARY ，PHYSICAL CHEMISTRY （FOURTH EDITION ）HOUGHTON MIFFLIN 。

2./Education/AskExperts/ae455.cfm

3.張煥宗、王志傑、邱勝賢、陳振中、曾韋龍，普通化學，東華書局。

4. Raymond Chang ，General Chemistry/3e ，Princeton/Mc Graw Hill

❸原子間的主要鍵結（Primary Interatomic Bounds ）- 離子鍵（Ionic Bounding ）、共價鍵（Covalent Bounding ）與金屬鍵（Metallic Bounding ）

㊀離子鍵（Ionic Bounding ）：

➊是「金屬+非金屬」的鍵結法，出現於由金屬與非金屬元素所組成的化合物當中，元素位於週期表的兩端，左邊的金屬元素原子極易捨棄價電子而轉移給陰電性強的非金屬原子，此過程中所有原子都因獲得安定的鈍氣組態，並各自形成陽離子或陰離子。庫侖力（coulombic ）是造成陰陽離子互相吸引的力。

相互吸引力的原子間距離的函數為：

A A E r

=- 互斥則為： R n B E r =-

A 、

B 與n 都為常數，值的取決在於特定的離子系統，8n ≈。

➋離子鍵無方向性。

➌離子鍵能相當大，通常在600到1500KJ/mol （3~8 eV/原子）之間。

㊁共價鍵（Covalent Bounding ）：

➊是「非金屬+非金屬」的鍵結法，是由兩個子共同彼此的價電子所組成，以達到安定的電子組態。形成鍵結的二個原子，每個原子至少要分享一個電子，並與對方共用這些價電子。

➋對某特定的原子而言，價電子的數目可決定其共價鍵結的數目。

➌共價鍵具有角度與方向性。

➍原子間的鍵結可能具有部份離子鍵和部份共價鍵。