繞射原理
繞射的波長條件(wavelength requirement for diffraction)
你無法用探照燈看見一隻病毒,也無法戴著拳擊手套讀小字——工具必須比它要探測的東西更精細。繞射遵循同樣的規則。要讀出晶體的原子結構,你照上去的波,其波長必須與原子間的間距相當,大約一埃(0.1 奈米)。這就是波長條件,它決定了到底哪些波能勝任這份工作。
這個條件直接從布拉格定律掉出來。重新整理成 sin theta = n lambda / (2 d),又因為 sin theta 永遠不能超過 1,於是得到 lambda <= 2 d——連一級要出現都得滿足它。如果 lambda 遠大於晶面間距 d,就不存在任何滿足布拉格定律的角度,也就根本沒有繞射。可見光的波長約 5000 埃,比相距幾埃的原子面粗上數千倍——這正是為什麼我們無法用光學顯微鏡替原子拍照。
有三種輻射確實具有合適的波長,因而成為結構科學的主力。約 0.5 到 2 埃的 X 光散射自電子雲。在顯微鏡中加速到次埃波長的電子,散射自靜電位,且交互作用強到樣品必須極薄。熱能量的中子波長也落在一埃附近,散射自原子核與磁矩。不同的探針,共用一張入場券:波長要在原子間距的尺度上。
對間距 d = 2 埃的晶面,布拉格要求 lambda <= 4 埃。銅 X 光(1.54 埃)輕鬆通過;一束可見綠光(5000 埃)差了一千多倍,所以它根本無法從原子面繞射。
只有波長在約 2d 或以下的波才能繞射;這正是為什麼揭露原子結構的是 X 光、電子與中子,而不是光。
條件是 lambda <= 2 d,不是 lambda = d。波長略小於間距就行,事實上還能讓更多反射出現;波長遠大於間距則會徹底扼殺繞射。
又稱
另見