二、X射线在晶体中的衍射

    X射线也称伦琴射线,是伦琴(W.C.Rontgen, 1845-1923)于1895年发现的。它是在高速电子流轰击金属靶的过程中产生的一种波长极短的电磁辐射(将在§17-5中先容)。X射线的波长处于10-3 ~ 10 nm的范围,由于它是不带电的粒子流,所以不受电磁场的作用,并具有很强的穿透能力。

    由于X射线的波长极短,通常的衍射光栅对它不起作用。1912年劳厄提出,既然结晶固体中的点阵粒子之间的距离与X射线的波长同数量级,

可以把结晶固体作为X射线的天然衍射光栅。这种设想得到了实验验证。当X射线照射到晶体上时,晶体的点阵粒子成为发射X射线的子波波源,称为衍射中心,而各子波射线将发生干涉。衍射X射线在各个方向的强度分布取决于衍射中心的几何分布,即晶体点阵的对称性,正如光学光栅的衍射图样取决于光栅的几何结构,即光栅常量一样。因此,大家可以从晶体的X射线衍射图样中获得关于晶体点阵对称性的信息。

图 14-36

    现在让大家看一下一束X射线射到晶体上的情形。被X射线照射的原子作为衍射中心向各个方向衍射X射线(这种情形也称为散射)。理论分析和实验都表明,对于任一确定的晶面而言,各原子所衍射的X射线,只有在符合反射定律的衍射方向上强度为最大,而在其他方向上衍射的X射线强度很弱。对于一组(平行)晶面而言,由不同晶面上“反射”的X射线还要发生干涉。图14-36表示,X射线以掠射角q射到一组晶面上,晶面间距为d,来自不同晶面的“反射线”为1和2。它们的光程差为

                     D = BC + BD = 2 d sinq ,

它们干涉加强的条件是

                             (14-91)

这就是著名的布拉格公式。

    在晶体中有各种取向的晶面,不同取向的晶面其晶面间距不同。射到晶体上的连续谱X射线可以被不同取向的晶面“反射”并满足式(14-91)所表示的条件,因而可以在感光底片上得到一系列曝光点,这种曝光点称为劳厄斑点。由劳厄斑点形成的晶体X射线衍射图样称为劳厄相。如果使用单色X射线照射多晶体,大量无规取向晶粒的不同晶面也充分提供了满足布拉格公式的机会,这时在感光底片上得到的X射线衍射图样,称为德拜相。根据劳厄相或德拜相,以及其他已知条件可以确定晶轴的方向或晶体的晶格常数。

    另外,在晶体结构已知的情况下,可以根据上述原理测定X射线的波长,从而为研究产生X射线的靶金属的原子结构提供重要的信息。

       
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