X射線晶體衍射學

X射線晶體衍射學是指晶體的周期性結構使晶體能對X 射線產生衍射效應, 形成X 射線衍射法從而獲得有關晶體結構可靠而精確的數據的方法。勞厄(M.von Laue)首先發現X 射線可以被晶體衍射, 開創了晶體結構分析的X 射線衍射法。此後不久, 英國物理學家布拉格父子在勞厄實驗的基礎上, 導出了一個比較直觀的X 射線衍射方程式, 從而為X 射線衍射理論和技術的發展奠定了堅實的基礎。這一發現，對人類科學的發展，特別是微觀結構科學的影響至為巨大，具有里程碑的意義。

基本介紹

• 中文名：X射線晶體衍射學
• 外文名：X -Ray diffraction analysis in the crystal structure

發現與歷史

1912 年在人類的科學史上是一個重要的年份、一個里程碑式的年份，因為德國科學家勞厄（Maxvon Laue, 1879-1960）在這一年發現了X 射線晶體衍射現象，並開創了X 射線衍射物理學的研究。緊接著，英國科學家小布拉格（William LawrenceBragg，1890-1971）在勞厄發現的基礎上開創了X 射線晶體學，而他的父親老布拉格（WilliamHenry Bragg，1862-1942）又在X 射線晶體學的基礎上開創了晶體X 射線光譜學。勞厄的發現證實了當時科學上的兩個推論或猜想，即晶體具有周期性的點陣結構和X 射線具有波動性，是一類波長在納米或更短的電磁波。利用X 射線衍射測定晶體的結構和對X 射線光譜的研究打開了人們探索人眼無法分辨的神秘的原子分子尺度的微觀世界結構的大門，使科學從巨觀到微觀，提高到一個新的水平，做出了不可磨滅的貢獻。這一發現不僅開創了X 射線衍射物理學、X 射線晶體學等新學科；在此基礎上還迅即改造了一批舊學科，如晶體學、化學、礦物學、金屬學和X 射線光譜學等，使它們建立在一個全新的、得到證實的科學基礎上，獲得加速發展；它們也成為以後一些新興學科，如半導體物理學、固體物理學、結晶化學、結構生物學、基於結構的藥物學和材料科學等的基礎。還和今天的地球科學、環境科學、生命科學、醫學、太空科學等密切相關。X 射線衍射的發現和X 射線晶體學的創立已經100 年了，回顧一下百年來X 射線晶體學的理論和套用的研究與發展，展望一下未來的可能前景該是有意義和有趣的。本文將在本人有限的水平上、能收集到的資料範圍內、按個人觀點對百年X射線晶體學的發展和影響做一簡要的不完整匯總。這裡要指出的是，X 射線衍射套用的廣泛和深入的發展是和X 射線衍射設備的發展相伴前行的。X 射線衍射的深入研究，要求有更高解析度、更高精準度、更高效率的實驗儀器，而裝置的發展又使X 射線衍射獲得更精確、更深入的結果、更廣泛的套用，就是這樣相輔相成的發展著。在討論X 射線衍射的發展時是離不開X 射線衍射實驗設備發展的討論的。

X 射線衍射技術和可解決的問題是多方面的，最被廣泛利用的是用一粒小單晶（在此粒晶體中，周期性是貫穿始終的）的衍射來測定晶體結構的單晶體衍射和利用粉末（一堆細小的單晶體）試樣的衍射來探知多晶聚集體結構的粉末（或多晶體）衍射。由於單晶體衍射和粉末衍射在實驗儀器，數據分析方法和可解決的問題等多方面都有不同，以後將分別進行討論。另外，在X 射線晶體衍射基礎上建立起來的X 射線光譜，有著不同的發展過程，也將平行討論。

理論依據

對於X 射線衍射理論的研究, 目前有兩種理論:運動學和動力學衍射理論。

運動學衍射理論

達爾文(Darwin)的理論稱為X 射線衍射運動學理論。該理論把衍射現象作為三維Frannhofer 衍射問題來處理, 認為晶體的每個體積元的散射與其它體積元的散射無關, 而且散射線通過晶體時不會再被散射。X 射線衍射運動學理論內容主要包括衍射方向和衍射線強度大小及其分布(線型)。

動力學衍射理論

厄瓦爾德(Ewald)的理論稱為動力學理論。該理論考慮到了晶體內所有波的相互作用, 認為入射線與衍射線在晶體內相干地結合, 而且來回地交換能量。兩種理論對細小的晶體粉末得到的強度公式相同, 而對高度完整的晶體的衍射問題, 則必須採用動力學理論來處理, 才能得出正確的結果。

常用方法

研究晶體材料, X 射線衍射方法非常有效, 而對於液體和非晶態物固體, 這種方法也能提供許多基本的重要數據。所以X 射線衍射法被認為是研究固體最有效的工具。在各種衍射實驗方法中, 基本方法有單晶法、雙晶法和多晶法。

單晶衍射法

單晶X 射線衍射分析的基本方法為勞厄法與回擺法。勞厄法以光源發出連續X 射線照射置於樣品台上靜止的單晶體樣品, 用平板底片記錄產生的衍射線。勞厄法主要用於確定晶體取向, 確定晶體的對稱以及利用勞厄斑點內部精細結構研究晶體亞結構。

雙晶衍射法

雙晶衍射儀用一束X 射線照射一個參考晶體的表面, 使符合布拉格條件的某一波長的X 射線在很小角度範圍內被反射, 這樣便得到接近單色並受到偏振化的窄反射線, 再用適當的光闌作為限制, 就得到近乎準值的X 射線束。把此X 射線作為第二晶體的入射線, 第二晶體和計數管在衍射位置附近分別以及角度擺動, 就形成通常的雙晶衍射儀。

多晶衍射法

多晶X 射線衍射方法包括照相法與衍射儀法。照相法以光源發出的特徵X 射線照攝多晶樣品, 並用底片記錄衍射花樣。X 射線衍射儀與照相法不同, 它是X 射線輻射敏感的探測器, 以布拉格實驗裝置為原型, 融合了機械與電子技術等多方面的成果, 是以特徵X 射線照射多晶體樣品, 並以輻射探測器記錄試樣衍射線對位置、強度和峰形信息的衍射實驗裝置, 用以測定晶胞的點陣常數、原子位置和晶粒度以及應力、畸變等晶體的不完整性。衍射儀法以其方便、快捷、準確和可以自動進行數據處理等特點在許多領域中取代了照相法, 現在己成為晶體結構分析等工作的主要方法。

深遠影響

對中國的影響

1911年，中國爆發辛亥革命，政局不穩，經濟沒有復甦。1912年勞厄發現晶體X射線衍射，顯然在那個年代不會對中國的科學產生什麼影響．但是，我國前輩物理學家胡剛復、葉企孫和吳有訓先生分別於1918年、1924年和1926年從美國學成回國，他們在美國都做過X射線有關的研究，都很熟悉勞厄和布拉格父子的工作．我國第一代X射線晶體學家余瑞璜先生和陸學善先生以及盧嘉錫先生都是他們的弟子，對中國的X射線晶體學做出了奠基性的貢獻．唐有祺先生在美國加州理工學院泡令教授研究組主攻化學鍵本質和X 射線晶體學時，就了解了勞厄和布拉格的貢獻。1950年，時任德國馬普物理化學研究所所長勞厄訪問加州理工學院，泡令教授向勞厄介紹了唐有祺。1951年，唐有祺先生回國途中經過英國，到劍橋大學拜訪了小布拉格．隨後，參加了在瑞典斯德哥爾摩舉行的國際晶體學聯合會第二屆大會，勞厄和布拉格都出席了這次大會。

對自然科學的影響

晶體X射線衍射的發現直接誕生了兩門嶄新的科學：X射線晶體學和X射線波譜學．使物理學中關於物質結構的認識從巨觀進入微觀，從經典過渡到現代，發生了質的飛躍。晶體X射線衍射發現以前，晶體學的研究停留在晶體形態學的巨觀層次。晶體學家利用測角術對單晶體所呈現的規則晶面之間的幾何關係進行測定，得到單晶體遵循面角恆等定律和有理指數定律。直到19世紀，晶體學對稱性理論的建立和發展也是以晶體形態學測量數據為依據，但無法解釋少數不滿足有理指數定律的晶體，如調製結構晶體．只有晶體X射線衍射發現以後，晶體結構的研究才進入原子排列的層次，不僅可以解釋晶體形態學無法解釋的現象，還擴大了研究對象，開闢了新的研究領域。