晶體結構

布拉格定律

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我們究竟怎麼知道,原子坐落在一個肉眼永遠看不見的規則格網上?把 X 光——其波長約為一個原子間距的大小——照射晶體。規則的原子層會反射它,而在恰到好處的角度,這些反射會疊加成一道明亮的光束。布拉格定律就是預測這些特殊角度的簡單規則。

定律為 n 乘 lambda = 2 乘 d 乘 sin(theta):n 是整數(級數),lambda 是 X 光波長,d 是相鄰原子平面的間距,theta 是入射光束與平面之間的夾角。從相鄰平面反彈的波多走了 2 d sin(theta) 的額外距離;當這段額外路徑恰為波長的整數倍時,波便建設性干涉,產生明亮的繞射峰。量得峰的角度,就能解出 d,重建晶格。

這是 X 光繞射(XRD)的骨幹,是鑑定晶體結構、晶格參數與相的日常方法——從解出 DNA 的結構,到檢查熱處理鋼內部形成了哪種相。它得名自威廉·亨利·布拉格與其子威廉·勞倫斯·布拉格,父子倆共享了 1915 年的諾貝爾物理獎。

布拉格定律的實例:以波長 lambda = 0.154 nm 的銅靶 X 光照射鐵的 (110) 面(間距 d = 0.203 nm),一階繞射(n = 1)峰出現在 sin(theta) = lambda/(2d) = 0.379 處,即 theta 約 22.3 度。量得此角即可反推面間距。

n lambda = 2 d sin(theta):輸入峰角,反推面間距。

布拉格定律只給出繞射光束的方向(即面間距);峰的強度——揭示哪些原子位在何處——需要更完整的結構因子分析。而某角度沒有峰不代表沒有晶面,該間距可能只是因對稱性而消光。

又称
Bragg equation布拉格定律布拉格方程