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物理学 1913

晶体对 X 射线的反射

威廉·亨利·布拉格 与 威廉·劳伦斯·布拉格

一条整数规则 2d sinθ = nλ,把晶体的 X 射线反射,翻译成原子的位置。

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In depth · the introduction

朝晶体打出 X 射线,它们只在那么几个尖锐的角度上明亮地折返——而这几个角度,恰恰告诉你原子是隔多远叠起来的。

核心想法

晶体,是原子排成的一层层完全规整、不断重复的平面。朝它照射 X 射线——一种波长约莫只有一个原子大小的光——每一层都像一面淡淡的镜子,把光反射回一点点。绝大多数时候,许多层反射回来的波彼此错开、相互抵消,几乎什么也回不来。可在某些特殊的角度上,每一缕小小的反射都恰好同步,叠加成一束明亮的光。

劳伦斯·布拉格找出了这些角度所遵循的规则,而它简单得漂亮:层间距的两倍,乘以角度的正弦,等于波长的整数倍。把它倒过来,你量出的角度,便交给你原子之间的间距。一个在晶体外面就能做的测量,就此成了一把丈量内部的尺。

它是如何诞生的

1912 年,马克斯·冯·劳厄证明,晶体会把 X 射线散射成一团斑点——一举证明了 X 射线是波,也证明了晶体是规整的原子点阵。那图样很震撼,却难以解读。一位 22 岁的剑桥学生,威廉·劳伦斯·布拉格,找到了一种看清它的、简单得多的办法:把晶体想象成一叠叠镜子般的平面。

他的父亲威廉·亨利·布拉格,是利兹的物理学教授,造出了把这想法付诸实用的仪器——一台能精确测量每束反射的 X 射线能谱仪。父子二人,开始一块接一块地解读晶体。1915 年,他们共享了诺贝尔物理学奖;25 岁的劳伦斯,至今仍是史上最年轻的得主——尽管这份共享的荣誉,也部分地掩去了那核心想法有多少其实出自儿子。

它为何重要

人类第一次能够查明原子究竟坐落在何处。布拉格父子发现,寻常的食盐里根本没有什么盐「分子」——只有钠离子与氯离子交替排成的方格——并绘出了金刚石、石英和数十种矿物的结构。他们开创的这门技术——X 射线晶体学——后来揭示了 DNA、蛋白质、维生素与药物的结构。我们关于分子形状所知的几乎一切,都始于朝晶体打出 X 射线。

一个可以想象的画面

想象一队士兵,走过一片满是平行壕沟的原野。如果壕沟的间距恰好让人人都能合着步子跨过去,队列就齐整如一、步调一致。间距不对,队列就乱了拍子,整支队伍便糊成一团。X 射线在原子层上的反射也是如此:只有当通往下一层多走的那段路恰为波长的整数倍时,所有反射才会齐步折返——并发出光亮。

可交互的 X 射线衍射:一束射线以掠射角 θ 打到间距为 d 的一叠晶面上并反射;拖动角度、间距与波长滑桿,看反射光束与探测器上的亮点,只在那些反射恰好同相的特殊角度上闪亮。

它的位置

这是那个时代原子观念的实验伙伴。道尔顿与阿伏伽德罗论证了物质由原子构成;布拉格父子,则让我们得以看见那些原子在哪里。他们的 X 射线图样,后来给出了沃森与克里克所拼出的 DNA 螺旋的尺寸,并成长为整门结构生物学——一条从 1913 年的一粒盐晶,一直延伸到今天预测蛋白质形状的线。

The original document
Original source text
W. H. Bragg & W. L. Bragg · Proceedings of the Royal Society of London A 88 (1913): 428–438
Background — von Laue's spots
In 1912 Max von Laue and his collaborators had passed X-rays through a crystal and recorded a regular pattern of spots, proving at once that X-rays are waves and that a crystal is a periodic lattice of atoms. The pattern, however, was awkward to interpret. This paper sets out a simpler and quantitative way to understand it.
The reflection picture
Lawrence Bragg's reframing is to treat the crystal as a stack of parallel planes of atoms, each plane acting as a weak mirror. The waves reflected from successive planes, separated by a spacing d, reinforce one another only when the extra distance travelled by the deeper wave is a whole number of wavelengths. With θ the glancing angle measured from the plane, that extra path is 2d sinθ, giving the reflection condition stated below.
2 d sin θ = n λ — the Bragg condition: n is the integer order, λ the X-ray wavelength, d the spacing between lattice planes, and θ the glancing angle measured from the plane.
The X-ray spectrometer
The elder Bragg's ionisation spectrometer makes the law usable: the crystal sits on a rotating table and an ionisation chamber on a movable arm measures the reflected intensity at each angle. As θ is swept, the reflection flares up at the Bragg angles; their positions fix the spacings d, and a set of reflections from different planes reconstructs the lattice. Run the other way, at a fixed crystal, the instrument sorts the beam's wavelengths — the crystal becomes an X-ray spectrometer.
Structures determined
The paper and its companions report the first crystal structures read this way — among them sodium chloride, potassium chloride, zinc blende and diamond — and draw the chemical conclusion that a rock-salt crystal contains no NaCl molecules: each ion is symmetrically surrounded by ions of the opposite kind in an extended ionic lattice.
[ … ]
The complete paper, with its measured reflection curves, indices and lattice dimensions, is available in full at the source below.
Royal Society of London · 1913