倒晶格

反比尺寸關係(inverse-size relationship)

關於倒空間,你必須內化的唯一一條規則是:它把尺寸裡外翻轉——真實空間裡大的,在倒空間裡小;小的則變大。晶胞又大又寬敞的晶體,擁有又小又緊密的倒晶格;晶胞極小的晶體,則有攤得很開的倒晶格。這就像變焦鏡頭那種取捨——你把畫面攤得越開,能解析的細節越精細,但視野越小。

用數字看很直接:一條倒晶邊是對應真實邊的倒數(直角晶胞下 a* = 1/a),倒晶胞體積是真實體積的倒數(V* = 1/V)。邊長 10 埃的真實晶胞給出 0.1 埃^-1 的倒晶邊;2 埃的晶胞給出 0.5 埃^-1,大了五倍。這規則在同一個晶體內也逐方向成立:沿 c 長、沿 a 短的晶胞,產生的倒晶胞沿 c* 「短」、沿 a* 長。真實長,倒晶短——永遠如此。

這不是抽象的巧思;它主宰真實的實驗。大晶胞材料(蛋白質、沸石、框架結構)的倒晶格點擠得很近,所以繞射斑點密集,需要高角度解析度。更引人注目的是,這規則延伸到「有限尺寸」:某方向只有幾十個原子厚的晶體,在真實空間裡是「短」的,於是它的倒晶格點會在那個方向上抹散「開來」,變成短棒(relrod)或糊成模糊的斑點。這正是奈米晶給出寬繞射峰的原因——由峰寬讀出微晶尺寸的謝樂公式,就是反比尺寸關係套用到顆粒尺度上。

直徑 5 奈米的金奈米粒子,沿某方向約含 20 層原子面。因為在真實空間裡「短」,它的 (111) 繞射峰變寬;謝樂公式再把那個寬度換算回 5 奈米的尺寸。毫米大小、實質無限大的單晶,則給出如刀鋒般銳利的斑點。

小晶體(真實空間裡短)給出寬的倒晶格特徵;那個寬度「就是」反比尺寸法則在運作。

這規則同時朝兩個方向作用:把真實晶胞縮小會放大整個倒晶格,而把晶體變薄則會抹散它的倒晶格點。別把晶胞大小(斑點間距)和晶體大小(斑點銳度)搞混——它們是同一原理的不同應用。

又称
reciprocity of scalebig-real-small-reciprocal rule大小反比關係