3.衍射线方向的确定讲解.ppt

3. X射线衍射的几何原理; X射线衍射的发现 发现的背景 ● X射线在1895年发现以后的很长时间里，许多科学家不遗余力地探讨X射线的本性， 但始终未找到判决性的实验证据。成了当时科学界的难题之一。 ● 要对X射线是波还是粒子作出判断，关键是要看X射线有没有衍射或干涉效应，许多科学家都在思考如何做这样的实验，有些人也试图做这样的实验，但是一直没有取得成功。 　　 ;劳厄　Max von Laue（1879-1960） 德国慕尼黑大学理论物理学家 X射线衍射的发现者 1914年因发现晶体的X射线衍射而获诺贝尔物理学奖 1879年10月9日生于德国的农村里，青少年时期就显示出 对自然科学的兴趣，在上中学时，一位数学教师把亥姆霍兹的 通俗科学讲演集介绍给他，使他得知当时科学发展的主要动向。 他还和两位同学一起在一位热心的教师家里作过当时刚被伦琴 发现的X射线实验。父亲是德国军事法庭官员，曾在许多城市工作过。因此劳厄有条件到好几所著名大学学习，受教于许多著名教授。 1904年劳厄在普朗克指导下以“平行平面板上的干涉现象的理论”为题完成了博士论文。 1905年留在柏林大学做普朗克的助教。 1909年转到慕尼黑大学任教。就在这里发现了X射线衍射。在柏林期间，劳厄成为德国物理学界的权威之一，曾担任德国物理学会会长。劳厄为人正直坦诚，每当科学自由受到威胁时，他总是义正辞严地起来捍卫它。 1960年4月23日在柏林逝世。;发现的过程 劳厄发现X射线衍射和慕尼黑大学的科学气氛有密切关系，当时师生们讨论最多的一个问题就是X射线的本性。劳厄认为X射线是电磁波。1912年，劳厄在同一位博士研究生厄瓦耳交谈时，产生了用X射线照射晶体用以研究固体结构的想法。他设想X射线是极短的电磁波，而晶体又是原子（离子）的有规则的三维排列, 就像是一块天然光栅那样，只要X射线的波长和晶体中原子（离子）的间距具有相同的数量级，那么当用X射线照射晶体时就应能观察到干涉现象。这确实是一个极其奇特而又非常有效的方法。劳厄的“光学直觉”使他产生了思想上的飞跃，晶体中原子的排列如果是有规则的，其间距与入射波的波长同数量级，就有可能产生干涉。 1912年4月他们开始了这项试验。弗里德利希和尼平很快地按劳厄的设计搭起了安装有实验装置的架子（如下图），但是他们在第一轮实验中，由于X射线太弱，曝光时间不足而屡遭失败，幸亏他们有坚定的信念，把曝光时间延为数小时，才在底片上显出有规则的斑点（如下图)。后来，他们改进了设备，采用ZnS、NaCl等晶体做试验，衍射斑点具有更为明显的对称性。接着，劳厄推导出一系列衍射方程，很好地解释了这些斑点的成因。 ;弗里德利希和尼平的实验装置原理图;对科学史的影响 射线衍射现象的发现对近代物理学的发展有重要意义，因为它不仅证明了X射线是一种比可见光波长短千倍的电磁波，使人们对X射线的认识迈出了关键的一步，而且还第一次对晶体的空间点阵假说作出了实验验证，使晶体物理学发生了质的飞跃。这一发现继佩兰（Perrin）的布朗运动实验之后，又一次向科学界提供证据，证明原子的真实性。由于X射线衍射的发现，X射线学在理论和实验方法上飞速发展，很快形成了一门内容极为丰富、应用极为广泛、影响极为深远的综合学科。 ;趣闻轶事 在纪念X射线衍射50周年的文集中，收集有劳厄的《自传》，关于这一发现的经过，他是这样写的： “对我至关重要的是，空间点阵的假说在慕尼黑一直信奉，而在别处很少有人提到。理由也许一部分在于慕尼黑大学从宋开（Sohncke）的年代起就陈列有许多晶体的模型，而宋开在慕尼黑一直执教到1897年。他在空间点阵的数学理论方面作出过相当多贡献，然而主要还必须归功于矿物学教授格罗特（Paul von Groth）。他在讲课中用到这些晶体结构模型，1912年2月，偶然有一次索末菲的博士生厄瓦尔德（P.P.Ewald）到我的房间来找我，求我帮他解决如何用数学研究光对偏振原子点阵的作用。尽管我帮不了他的忙，却在讨论中纯属偶然地说道：什么时候该用更短的波（即X射线）辐射晶体。如果原子真的组成了点阵，就应该象光栅产生光干涉那样也产生干涉现象。慕尼黑一带年轻物理学家每天午饭后总要在鲁兹（Lutz）咖啡馆聚会，他们讨论到了这件事。其中有一位叫弗里德利希（W.Friedrich），刚刚在伦琴指导下完成X射线散射的博士论文，这时他已是索末菲的助手，主动提出愿用实验来检验这一思想。唯一的困难是索末菲起初对这一思想考虑得不多，他要弗里德利希做的实验是关于从对阴极发射的射线的角度