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纪念X-射线衍射发现100周年 精选

已有 10020 次阅读 2012-6-8 15:38 |个人分类:怀旧|系统分类:科普集锦| 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:
  • Max von Laue and the discovery of X-ray diffraction in 1912,M. Eckert,Annalen der Physik, 2012, 524(5), A83–A85.DOI: 10.1002/andp.201200724
  • The Discovery of the Diffraction of X-rays in Crystals — A Historical Review,G. Hildebrandt,Cryst. Res. Technol. 1993, 28(6), 747–766. DOI: 10.1002/crat.2170280602
  • 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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