布拉格定律

在物理學中 ， 布拉格定律給出晶格的相干及不相干散射角度 。 當X射線入射於原子時 ， 跟任何電磁波一樣 ， 它們會使電子雲移動 。 電荷的運動把波動以同樣的頻率再發射出去 （ 會因其他各種效應而變得有點模糊 ） ； 這種現象叫瑞利散射 （ 或彈性散射 ） 。 散射出來的波可以再相互散射 ， 但這種進級散射在這裏是可以忽略的 。 當中子波與原子核或不成對電子的相干自旋進行相互作用時 ， 會發生一種與上述電磁波相近的過程 。 這些被重新發射出來的波來相互干涉 ， 可能是相長的 ， 也可能是相消的 （ 重疊的波某程度上會加起來產生更強的波峯 ， 或相互消抵 ） ， 在探測器或底片上產生繞射圖樣 。 而所產生的波干涉圖樣就是繞射分析的基本部份 。 這種解析叫布拉格繞射 。 布拉格繞射 （ 又稱X射線繞射的布拉格形式 ） ， 最早由威廉 · 勞倫斯 · 布拉格及威廉 · 亨利 · 布拉格於1913年提出 ， 他們早前發現了固體在反射X射線後產生的晶體線 （ 與其他物態不同 ， 例如液體 ） ， 而這項定律正好解釋了這樣一種效應 。 他們發現 ， 這些晶體在特定的波長及入射角時 ， 反射出來的輻射會形成集中的波峯 （ 叫布拉格尖峯 ） 。 布拉格繞射這個概念同樣適用於中子繞射及電子繞射 。 中子及X射線的波長都於原子間距離 ( ~ 150 pm ) 相若 ， 因此它們很適合在這種長度作 “ 探針 ” 之用 。 威廉 · 勞倫斯 · 布拉格使用了一個模型來解釋這個結果 ， 模型中晶體爲一組各自分離的平行平面 ， 相鄰平面間的距離皆爲一常數d 。 他的解釋是 ， 如果各平面反射出來的X射線成相長干涉的話 ， 那麼入射的X射線經晶體反射後會產生布拉格尖峯 。 當相位差爲2π及其倍數時 ， 干涉爲相長的 ； 這個條件可經由布拉格定律表示 ： 其中n爲整數 ， λ爲入射波的波長 ， d爲原子晶格內的平面間距 ， 而θ則爲入射波與散射平面間的夾角 。 注意移動中的粒子 ， 包括電子 、 質子和中子 ， 都有對應其速度及質量的德布羅意波長 。 布拉格定律由物理學家威廉 · 勞倫斯 · 布拉格爵士於1912年推導出來 ， 並於1912年11月11日首度於劍橋哲學會中發表 。 儘管很簡單 ， 布拉格定律確立了粒子在原子大小下的存在 ， 同時亦爲晶體研究了提供了有效的新工具 ─ ─ X射線及中子繞射 。 威廉 · 勞倫斯 · 布拉格及其父 ， 威廉 · 亨利 · 布拉格爵士獲授1915年諾貝爾物理學獎 ， 原因爲晶體結構測定的研究 ， 他們測定了氯化鈉 、 硫化鋅及鑽石的結構 。 他們是唯一一隊同時獲獎的父子隊伍 ， 而威廉 · 勞倫斯 · 布拉格時年25歲 ， 因此成了最年輕的諾貝爾獎得主 。