衍射(diffraction):是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。
布拉格定律:假设入射波从晶体中的平行原子平面作镜面反射,每个平面反射很少一部分辐射,就像一个轻微镀银的镜子一样。在这种类似镜子的镜面反射中,其反射角等于入射角。当来自平行原子平面的反射发生相长干涉时,就得出衍射束。
nλ =2 d sinθ
其中n为整数,λ为入射波的波长,d为原子晶格内的平面间距,而θ则为入射波与散射平面间的夹角。
我们小时候经常在太阳光下做手影游戏,常常会在墙上看到手的一个清晰轮廓,而如果手离墙面远一些,影子的轮廓就会变模糊,这是因为光围绕着手发生了衍射现象,也就是光线会向手的内侧来传播,使轮廓变得模糊。实际上所有的波都具有这样的特性,比如水波可以发生衍射从而绕过港口的墙基来到另一侧它还是波纹状的形式。声波同样可以发生衍射,使得它可以延长到音乐会舞台的边缘。惠更斯原理及夫琅禾费衍射都是利用了波的衍射原理。
1912年澳大利亚物理学家威廉-劳伦斯-布拉格发现,波在通过晶体时也能发生衍射,这是因为晶体本身是由许多原子堆积形成的有序结构。X-ray是德国物理学家伦琴在1895年发现的,X-ray的波长很小,大约是可见光波长的千分之一,这要比晶体中原子的间距还要小,所以X-ray的波长小到足以使其通过晶体结构并发生衍射现象,即满足“孔、缝的宽度或障碍物的尺寸与光的波长相比差不多或比波长更小”的衍射条件。而布拉格方程的原理就是“光程差等于波长的倍数”。
应用:X-ray在晶体中的衍射
根据布拉格衍射定律,波长λ可用已知的X-ray衍射角测定,进而求得面间隔,即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出的衍射X-ray强度和面间隔与已知的表对照,即可确定试样结晶的物质结构,此即定性分析。从衍射X-ray强度的比较,可进行定量分析。
参考文献
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[4] 钟锡华.现代光学基础.北京:北京大学出版社,2003年:67-91
参阅:衍射、布拉格定律、布拉格光栅、X-ray晶体衍射