《x射线衍射的发现及其历史意义(麦振洪)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《x射线衍射的发现及其历史意义(麦振洪)（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、X射线衍射的发现及其历史意义 纪念劳埃发现晶体X射线衍射100周年,Mai Zhenhong Institute of Physics Chinese Academy of Sciences,X射线的发现 X射线衍射的发现 晶体X射线衍射的发现 布拉格方程的创立 几点启迪 X射线衍射发现的深远影响 对中国的影响 对自然科学发展的影响 诞生了X射线波谱学 开拓了结构化学 诞生了X射线晶体学 催生了材料科学,Outline,http:/www.sciencemuseum.org.uk/Centenary.aspx,In a public poll by the Science Museum in
2、London: what is the most significant scientific invention?,(1909-2009),Discovery of X-ray, 8 Nov. 1895,W. K. Rontgen Physical Institute, University of Wurzburg,Crookes tube, 22 Dec. hand of Frau Rontgen 28 Dec. First paper “Eine Neue Art von Strahlen” “一种新的射线-初步报告” 维茨堡物理学医学会会刊 5 Jan. 1896 “X-ray dis
3、covered by Rontgen” 维也纳新闻报 23 Jan Alber von Kolliker suggested Rontgen ray First Nobel prize for Physics,100 yaers tens Nobel prize winners,X射线的本质是不清楚的 粒子学说认为是穿透性很强的中性微粒 波动学说认为是波长较短的电磁波 伦琴在著名的第一篇通讯中写道:“我已经按很多 方法检测X 射线的干涉现象;但不幸的是, 没有成 功, 也许仅仅是由于它们的微弱强度. ” 德国的毕尔脱(B.Walter) 与波尔(R. Pohl) 获得了 X射线通过楔形光阑的照
4、片,美国巴克拉关于X射 线偏振的研究,都有利于波动学说。,晶体X-ray 衍射的发现,马克斯冯劳厄（Max von Laue)，德国物理学家, 1879年10月5日生于柯布伦茨附近的普法芬多夫，1960年4月23日在柏林逝世。 在青少年时期就显示出对自然科学的兴趣， 在斯特拉斯堡中学时，一位数学教师把亥姆 霍玆的通俗科学讲演集介绍给他，他和两位 同学一起在一位热心的教师家里作过当时刚 为W.K.伦琴发现的X射线实验。,先后就读于斯特拉斯堡、格丁根、慕尼黑和柏 林几所大学，听过D.希耳伯特、M.普朗克等大 师的课。1904年他在普朗克指导下博士论文 平行平面板上的干涉现象的理论 ，随后留 校做普
5、朗克的助教。1909年到慕尼黑大学任教 索末菲手下的一个讲师,慕尼黑大学中有理论物理教授索末菲，发现X 射线的 物理学教授伦琴和著名的晶体学家罗格（Groth）。 劳厄负责索末菲编纂数学科学百科全书中“波 动光学”条目 劳厄研究晶格理论 当时晶体的点阵结构还是一种假设，他坚决站在原 子论一边，反对某些哲学家怀疑原子存在的观点。 劳厄不止一次地提到：如果不确信原子的存在，他永 远也不会想到利用X射线透射的方法来进行实验。,劳厄的发现,除了他本人具备坚实的物理基础,敏锐的洞察能力以及当时劳厄所在的慕尼黑大学高水平的学术研究环境等因素外,还直接得益于与艾瓦尔德(P. P. Ewald)的一次谈话。,
6、艾瓦尔德(P. P. Ewald) 生于1888年1月23日德国柏林 卒于1985年8月22日美国纽约,当时艾瓦尔德是索末菲(A.Sommerfeld) 的学生,1910 年确定论文题目为“各向同性的谐振子作各向异性排列时对光学性质的影响”,企图从微观上解释晶体为什么会产生双折射。当时 量子力学尚未问世,他将普朗克和洛伦兹的经典色散 理论推广到各向异性的周期结构中,考虑电磁波与倒 空间点阵排列的谐振子之间相互作用和传播,这是数 学上和物理上难度很大的问题。 1912 年1 月艾瓦尔德的论文大体就绪,但有些结果把 握不大,他去请教当时在光学理论方面声誉很高的劳厄,波动光学是19 世纪物理学的重要
7、成就之一,干涉和衍射 是波动的两个主要特征,劳厄将一维光栅的衍射理论推 广到二维光栅。 与艾瓦尔德讨论中,当艾瓦尔德谈及他的理论和通常色散 理论的差异在于谐振子是排列成有规律的点阵。劳厄追 问,有何根据? 艾瓦尔德回答,晶体被认为具有这种内部 的规律性。劳厄再问谐振子的间距有多大,艾瓦尔德说 比可见光波长小得多,也许只有1/ 5001/ 1000 ,确切值 不知道。 劳厄反复思考原来的问题并问,假如有波长很短的光通过 晶体将有什么结果? 艾瓦尔德说:“论文中第6 段的公式7 给出各个谐振子发生的波的叠加,在推导过程没有简化 或近似处理,因此对波长短的情况也适用。只要对此特 殊情况进行讨论就行了
8、。我把这个公式抄给你,你可研 究这个问题。”谈话后艾瓦尔德忙于交论文,准备答辩。,1912年得知劳厄X射线衍射实验后，重新看给劳厄 的公式，发现只要用1/a,1/b,1/c作一种格子的平移 周期(倒格子)，再做一个与入射X射线波长有关的 球(反射球)，就可解释衍射的几何关系。,1992年国际晶体学会非周期晶体 学术委员会建议的晶体的定义： “能给出明确衍射图的固体”。 就是倒空间的衍射而不用正空间 中的结构确定晶体的定义。,1849年布拉维提出14种空间格子时讨论过倒易概念 艾瓦尔德再发现，功不可没。,7,一战他投笔从戎，问及专业，X射线衍射理论，被分配到东线野战医院冲洗X射线透视底片。191
9、6年东线无大战事，闲极无事，在野战医院重操旧业。,1916-1917发表X射线衍射动力学理论 二战后积极提倡建立国际晶体学，主编晶体学报，为晶体学发展很大贡献。,衍射几何学和X 射 线衍射动力学 理论 的贡献应获诺贝尔奖,1985艾瓦尔德去逝后，设艾瓦尔 德奖奖励在X射线衍射动力学理 论作出重要贡献科学家,晶体X-ray 衍射的发现,通过与艾瓦尔德讨论,劳厄酝酿一个实验:把晶体当作 三维光栅,让一束X射线穿过,由于空间光栅的间距与 X射线波长的估计值在数量级上近似,可期望观察到 衍射谱。 劳厄这个想法,受到索末菲和维恩等著名物理学家的 怀疑,他们认为晶体中原子的热骚动将会破环晶格的 规律性,导
10、致破坏任何衍射现象。伦琴也自发现X 射 线名扬四海后显得小心谨慎。,P. Knipping伦琴研究生,W.Friedrich 索未菲助手,1912 年4 月中,第一次 实验把底片放置 在硫 酸铜晶体和X射线之间 曝光数小时后无结果 第二次实验把底片放 在晶体后面,类似透射 光栅终于在底片上观 察到在透射斑点附近 有一些粗大的、椭圆 形的 斑点,劳厄意识到这个发现的重要 性,决定3 人签名写一份材料 并与底片一起密封起来 现存于慕尼黑市的德意志 博物馆,“从1912 年4 月21 日起,签字人(弗里德里希、克 里平、劳厄)曾从事X射线穿透晶体实验,指导思想是晶体的晶格会产生干涉,因为晶格常量大约
11、是猜测的X射线波长的10 倍。存档的53 号及54 号底片为证。 照射物质：硫酸铜 曝光时间：30min；软X射线管电流：2mA 底片与晶体间的距离：53号30mm；54号60mm 光阑3(直径1.5mm)的距离：50mm 光源到晶体的距离：350mm 实验装置示意图：(略),索末菲知道后,也意识到这个发现的重大意义, 于 1912 年 5 月4 日将上述材料密封上报巴伐利亚 科学院,以确保他们在发现X射线晶体衍射的优先 权。,劳厄把二维光栅衍射理论推广到三维光栅情况,得到了 描述晶体衍射的劳厄方程 a (cos0 - cos) = h b (cos0 - cos) = k c (cos0 -
12、 cos) = l,索末菲出资买闪锌矿晶体和测角头，弗里德里希等进一步 改进了实验装置,数周后, 获得 ZnS、PbS、NaCl 等晶体的 X 射线衍射清晰四重对称衍射图。 6 月8 日和7 月6 日他们合写的论文“X射线的干涉现象 理论部分,劳厄;实验部分,弗里德里希、克里平”，另一 篇是由劳厄单独具名 “ X射线干涉现象理论的定量证明”,提交巴伐利亚科学院，后在学报上发表，劳厄自己于1912年6月8 日向柏林物理学会作了这项发现的报告,解决了当时科学上两大难题 晶体的点阵结构具有周期性 X射线具有波动性,其波长与晶体点阵结构周期 同一数级,爱因斯坦称劳厄的实验是“物理学最完美的实验”,劳厄
13、于1914 年荣获诺贝尔物理奖,25年后普朗克“1912年6月14日当劳厄先生给我们看了 他的第一批照片.听众并未完全信服但是当看到ZnS典 型劳厄图后.每个听众都认识到一件伟大的事发生了”,劳厄选了5个波长标定了ZnS四重对称衍射斑点数， 当时是 把X射线衍射与晶体结构定量地联系的一个重要进展。一年 后小布拉格指出其不正确,布拉格方程的创立,劳厄等的ZnS 晶体X射线 衍射照片发表后不到一个 月传到英国,引起布拉格父 子的极大关注。 老布拉格(W. H.Bragg) 1862年7月2日生于坎伯兰 郡威格顿；1942年3月12 日卒于伦敦。1886年,他澳 大利亚阿德莱德大学教 授,1909年
14、里兹大学物理系 教授,坚信X 射线粒子学说,小布拉格(W.L.Bragg) 1890年3月31日生于澳大利亚阿德莱德市 1971年7月1日卒于英国伊普斯威奇。 22岁 刚毕业于剑桥大学,卡文迪什实验室的 研究生。,1912 年暑假,父子俩经常讨论劳厄的实验,老布拉格 试图用粒子学说解释劳厄等人的实验结果。 小布拉格暑假结束回到剑桥后就开始做X射线透过 ZnS 晶体的实验,发现底片与晶体的距离增大时,衍 射斑点变小。 晶面反射,1912年10月导出布拉格方程,用连续X射线谱及布拉格方程标定ZnS四重 对称衍射斑点，只有全奇或全偶的衍射才 出现，并告父亲老布拉格坚持粒子学说， 认为是X射线中伴有电
15、磁波引起。,为了照顾父亲的意见,小布拉格关于X射线衍射的第一篇文章取 题为“The Diffraction of short Electromagnetic Waves by a Crystal”(晶体短电磁波衍射),于1912 年11 月11 日在剑桥哲 学学会会刊刊登。 威尔逊(发明云雾室而获得诺贝尔物理奖)得知上述结果后,建议 用解理的云母做X射线反射实验,因为解理面总是原子密排面。 实验结果增强了小布拉格的信心,断然否定了老布拉格的粒子学 说 1913 年1 月Science Program 杂志刊出第二篇论文“X- ray and Crystal”, 该文的摘要“Reflection
16、 of X-ray”于1912 年12 月12 日在自然杂志刊出。 老布拉格对小布拉格的结果兴奋至极,不顾小布拉格要求等文章 发表后再向外界透露的忠告,将这些结果写了两篇短文,分别于 1912 年10 月24 日及11 月28 日在自然杂志刊出。,布拉格方程的创立 标志着X射线晶体学理论及其分析方程的确立,揭开 了晶体结构分析的序幕 为X射线光谱学奠定了基础,1915 年布拉格父子荣获诺贝尔物理奖,布拉格父子荣获诺贝尔物理奖是当之无愧的,但也正是 这个大奖使他们父子关系紧张起来。 小布拉格想恁两篇论文确定他发明反射方程的优先 权，小布拉格第一篇论文投寄在先，但出版(1912年 11月11日)在老布 拉格第一篇(1912年10月24日)之 后，而 Nuture影响大。,小布拉格不无埋怨情绪地说：“
