歷史 物理

1915年諾貝爾物理獎:布拉格父子

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-05-01
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  • 如何能夠看見晶體中原子的排列?1915年諾貝爾物理獎授與兩位父子物理學家——威廉・亨利・布拉格(William Henry Bragg)和其子威廉・羅倫茲・布拉格(William Lawrence Bragg),因為他們歸納出布拉格定律,使科學家能夠得知各種晶體的原子結構。
     威廉亨利布拉格照片
    [威廉‧亨利‧布拉格(左)和威廉‧羅倫茲‧布拉格(右)的諾貝爾獎官方照片。]
     
    我們在上回討論過范勞厄創立的X射線晶體學,證明了X射線的波動性質。不過,范勞厄並不能從X射線源分辨出不同波長的X射線。布拉格父子利用簡單的幾何學,假設晶體中每個平面上的原子都會散射X射線,解決了這個問題。這物理定律現在稱為布拉格繞射(在原子尺度散射跟繞射都是同一量子力學效應),而其數學表達式在高中物理之中亦有討論:

    入射角度導致的光程差等於入射波長的整數倍。

    透過這公式,布拉格父子比對實驗結果中X射線光譜的強度,計算出多種晶體裡的原子排列結構。把入射角度慢慢傾斜,會發現散射出來的X射線強度改變。如果角度使X射線的波峰與波峰重疊,強度就會增加。反之,如果波峰與波谷重疊,強度就會減低。這樣,布拉格父子就能透過以不同角度重覆實驗,把晶體的結構勾畫出來。
     
    布拉格父子發現了立方晶系(cubic crystal system)結構。立方晶系可細分為三種情況,分別稱為簡單立方(simple cubic)、體心立方(body-centered cubic)和面心立方(face-centered cubic)。這些都是基礎化學課裡會討論到的晶體結構。
     布拉格繞射
    [布拉格繞射圖解,原子散射入射的X射線從而造成干涉現象。Image courtesy of Christophe Dang Ngoc Chan/Wikimedia Commons]
     
    另一方面,布拉格定律亦可以反過來被用作計算X射線的波長。因為X射線是頻率非常高的電磁波,其波長比可見光短約千倍,只有使用晶體中的原子作為繞射源才能量度出來。布拉格父子最終準確測量了不同X射線源發射出來的X射線波長。

    當年科學界一直爭論地球上最堅硬的物質——鑽石——的原子結構。布拉格父子發現鑽石的原子排列結構是面心立方的一個特殊形式。這個結果亦有助解釋為何鑽石如此堅硬。

    時至今天,探測晶體和份子的結構仍然依靠X射線晶體學技術。廣告有云:「鑽石恆久遠,一顆永留存。」范勞厄、布拉格父子和許多科學家的研究成果,將如同鑽石一樣,永遠傳承下去。
     鑽石立方結構
    [鑽石的面心立方結構。Image courtesy of Cmglee/Wikimedia Commons]
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