纪念X-射线衍射发现100周年
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2012-6-8 15:38
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标签：衍射, X-射线
今天，2012年6月8日，是X-射线衍射发现100周年的纪念日。
100年前的今天，德国慕尼黑大学（University of Munich）的物理学家劳厄（Max von Laue）及其同事，想出了一个主意，就是将一束X-射线通过一个硫酸铜晶体发送出去，然后在照相底片上记录下结果（如图1）。
（taken from: http://www.chemistryviews.org/）劳厄鼓励他的两位同事，Walter Friedrich和Paul Knipping，他俩在X-射线方面比劳厄更有实践经验，在索末菲研究所（Sommerfeld's institute）继续开展实验，结果发现在起始光束的中心点周围产生了衍射点（diffraction spots）。
其实，这一发现比伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）首次发现X-射线要迟17年。当时，是他宣布了X-射线的存在，但这种射线的本质一直没搞清楚。有些物理学家怀疑X-射线是一种电磁辐射，但一直无法获得可靠的衍射方面的证据。当时估计X-射线的波长范围在0.4-0.6Å。
与此同时，晶体学家们则已越来越确信晶体空间点阵结构的存在。这个问题劳厄也与他的朋友埃瓦尔德（Paul Peter Ewald）讨论过。在一次交谈中，埃瓦尔德发表了这样的观点，阵点之间的距离也许是造成X-射线产生干涉的合适距离，如果原来估计的波长正确的话。
无疑，是劳厄的直觉和灵感促成了Friedrich和Knipping的实验，尽管一开始他是基于一种错误的期待。然而可喜的是，劳厄及其合作者的实验提供了X-射线是波本质和晶体具有点阵结构的直接证据。因为衍射点是由X-射线引起的，后者对衍射体（scatterers）的规则阵列（晶体中原子的重复排列）具有重大影响。衍射体造成球面波（spherical waves）的规则排列，在绝大多数方向上干涉很严重，具有破坏性，但在某些方向上却具有建设性，所以在照相底片上能产生光亮的点。
在X-射线衍射发现后的一年里，布拉格（William Lawrence Bragg） 推导出了一个解决晶体结构和决定衍射图规律的著名公式：
2dsinθ=nλ
在公式中，d是衍射面之间的距离，θ是入射角（incident angle），n是任意整数，λ是光束的波长（如图2）。
（taken from: http://www.chemistryviews.org/）可以这么说，劳厄和布拉格的发现，开创了两门科学，即X-射线晶体学（X-ray crystallography）和X-射线光谱学（X-ray spectroscopy），同时还造就了两位诺贝奖得主：1914年劳厄“for his discovery of the diffraction of X-rays by crystals” 而获奖；1915年布拉格及其父亲（William Henry Bragg） “for their services in the analysis of crystal structure by means of X-rays” 而获奖。
科学研究需要质疑，也需要灵感（直觉），更需要合作精神。X-射线及其衍射作用的发现，开创了一个科学新时代，绵延百年而不绝，创造了众多的一流的的科学成果，也算是科学史上的一桩奇迹和美谈，值得我们永远纪念。
（taken from:http://www.iop.cas.cn/）
参考资料：
Michael Eckert，Disputed discovery: the beginnings of X-ray diffraction in crystals in 1912 and its repercussions，Acta Cryst. (2012). A68, 30-39.(厦门大学化学系胡盛志老师提醒有该文，谨致谢意！)
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