1、 X射线衍射的发现及其历史意义射线衍射的发现及其历史意义 纪念劳埃发现晶体纪念劳埃发现晶体X射线衍射射线衍射100周年周年 Mai Zhenhong Institute of Physics Chinese Academy of Sciences X射线的发现射线的发现 X射线衍射的发现射线衍射的发现 晶体晶体X射线衍射的发现射线衍射的发现 布拉格方程的创立布拉格方程的创立 几点启迪几点启迪X射线射线衍射衍射发现的深远影响发现的深远影响 对中国的影响对中国的影响 对自然科学发展的影响对自然科学发展的影响 诞生了诞生了X射线波谱学射线波谱学 开拓了结构化学开拓了结构化学 诞生了诞生了X射线晶体学
2、射线晶体学 催生了材料科学催生了材料科学Outlinehttp:/www.sciencemuseum.org.uk/Centenary.aspxIn a public poll by the Science Museum in London:what is the most significant scientific invention?(1909-2009)Discovery of X-ray 8 Nov.1895W.K.Rontgen Physical Institute,University of WurzburgCrookes tube 22 Dec.hand of Frau Ron
3、tgen 28 Dec.First paper“Eine Neue Art von Strahlen”“一种新的射一种新的射线-初步初步报告告”维茨堡物理学医学会会刊茨堡物理学医学会会刊 5 Jan.1896 “X-ray discovered by Rontgen”维也也纳新新闻报 23 Jan Alber von Kolliker suggested Rontgen ray1901 First Nobel prize for Physics100 yaers tens Nobel prize winners X射线的本质是不清楚的射线的本质是不清楚的 粒子学说粒子学说认为是穿透性很强的中性
4、微粒认为是穿透性很强的中性微粒 波动学说波动学说认为是波长较短的电磁波认为是波长较短的电磁波 伦琴在著名的第一篇通讯中写道伦琴在著名的第一篇通讯中写道:“我已经按很多我已经按很多 方法检测方法检测X 射线的干涉现象射线的干涉现象;但不幸的是但不幸的是,没有成没有成 功功,也许仅仅是由于它们的微弱强度也许仅仅是由于它们的微弱强度.”德国的毕尔脱德国的毕尔脱(B.Walter)与波尔与波尔(R.Pohl)获得了获得了 X射线通过楔形光阑的照片射线通过楔形光阑的照片,美国巴克拉关于美国巴克拉关于X射射 线偏振的研究线偏振的研究,都都有利于波动学说有利于波动学说。晶体晶体X-ray 衍射的发现衍射的发
5、现马克斯马克斯冯冯劳厄劳厄（Max von Laue)，德国物理学家德国物理学家,1879年年10月月5日生于柯布伦茨附近的普法芬多日生于柯布伦茨附近的普法芬多夫，夫，1960年年4月月23日在柏林逝世。日在柏林逝世。在青少年时期就显示出对自然科学的兴趣，在青少年时期就显示出对自然科学的兴趣，在斯特拉斯堡中学时，一位数学教师把亥姆在斯特拉斯堡中学时，一位数学教师把亥姆 霍玆的通俗科学讲演集介绍给他，他和两位霍玆的通俗科学讲演集介绍给他，他和两位 同学一起在一位热心的教师家里作过当时同学一起在一位热心的教师家里作过当时刚刚 为为W.K.伦琴发现的伦琴发现的X射线实验射线实验。先后就读于斯特拉斯堡
6、、格丁根、慕尼黑和柏先后就读于斯特拉斯堡、格丁根、慕尼黑和柏 林几所大学，听过林几所大学，听过D.希耳伯特、希耳伯特、M.普朗克等大普朗克等大 师的课。师的课。1904年他在普朗克指导下博士论文年他在普朗克指导下博士论文 平行平面板上的干涉现象的理论平行平面板上的干涉现象的理论，随后留，随后留 校做普朗克的助教。校做普朗克的助教。1909年到慕尼黑大学任教年到慕尼黑大学任教 索末菲手下的一个讲师索末菲手下的一个讲师 慕尼黑大学中有理论物理教授慕尼黑大学中有理论物理教授索末菲索末菲，发现，发现X 射线的射线的 物理学教授物理学教授伦琴伦琴和著名的晶体学家和著名的晶体学家罗格罗格（Groth）。）
7、。劳厄负责索末菲编纂劳厄负责索末菲编纂数学科学百科全书数学科学百科全书中中“波波 动光学动光学”条目条目 劳厄研究晶格理论劳厄研究晶格理论 当时晶体的点阵结构还是一种假设，他坚决站在原当时晶体的点阵结构还是一种假设，他坚决站在原 子论一边，反对某些哲学家怀疑原子存在的观点。子论一边，反对某些哲学家怀疑原子存在的观点。劳厄不止一次地提到：劳厄不止一次地提到：如果不确信原子的存在，他永如果不确信原子的存在，他永 远也不会想到利用远也不会想到利用X射线透射的方法来进行实验。射线透射的方法来进行实验。劳厄的发现劳厄的发现,除了他本人具备坚实的物理基础除了他本人具备坚实的物理基础,敏锐的敏锐的洞察能力以
8、及当时劳厄所在的慕尼黑大学高水平的学洞察能力以及当时劳厄所在的慕尼黑大学高水平的学术研究环境等因素外术研究环境等因素外,还直接得益于与还直接得益于与艾瓦尔德艾瓦尔德(P.P.Ewald)的一次谈话。的一次谈话。艾瓦尔德艾瓦尔德(P.P.Ewald)生于生于1888年年1月月23日德国柏林日德国柏林卒于卒于1985年年8月月22日美国纽约日美国纽约 当时艾瓦尔德是索末菲当时艾瓦尔德是索末菲(A.Sommerfeld)的学生的学生,1910 年确定论文题目为年确定论文题目为“各向各向同性的谐振子作各向异性排列时对光学同性的谐振子作各向异性排列时对光学性质的影响性质的影响”,企图从微观上解释晶体为什
9、么会产生双折射。当时企图从微观上解释晶体为什么会产生双折射。当时 量子力学尚未问世量子力学尚未问世,他将普朗克和洛伦兹的经典色散他将普朗克和洛伦兹的经典色散 理论推广到各向异性的周期结构中理论推广到各向异性的周期结构中,考虑电磁波与倒考虑电磁波与倒 空间点阵排列的谐振子之间相互作用和传播空间点阵排列的谐振子之间相互作用和传播,这是数这是数 学上和物理上难度很大的问题。学上和物理上难度很大的问题。1912 年年1 月艾瓦尔德的论文大体就绪月艾瓦尔德的论文大体就绪,但有些结果把但有些结果把 握不大握不大,他去请教当时在光学理论方面声誉很高的劳厄他去请教当时在光学理论方面声誉很高的劳厄 波动光学是波
10、动光学是19 世纪物理学的重要成就之一世纪物理学的重要成就之一,干涉和衍射干涉和衍射 是波动的两个主要特征是波动的两个主要特征,劳厄将一维光栅的衍射理论推劳厄将一维光栅的衍射理论推 广到二维光栅。广到二维光栅。与艾瓦尔德讨论中与艾瓦尔德讨论中,当艾瓦尔德谈及他的理论和通常色散当艾瓦尔德谈及他的理论和通常色散 理论的差异在于理论的差异在于谐振子是排列成有规律的点阵谐振子是排列成有规律的点阵。劳厄追。劳厄追 问问,有何根据有何根据?艾瓦尔德回答艾瓦尔德回答,晶体被认为具有这种内部晶体被认为具有这种内部 的规律性。劳厄再问的规律性。劳厄再问谐振子的间距有多大谐振子的间距有多大,艾瓦尔德说艾瓦尔德说
11、比可见光波长小得多比可见光波长小得多,也许只有也许只有1/5001/1000,确切值确切值 不知道。不知道。劳厄反复思考原来的问题并问劳厄反复思考原来的问题并问,假如有假如有波长很短的光通过波长很短的光通过 晶体将有什么结果晶体将有什么结果?艾瓦尔德说艾瓦尔德说:“论文中第论文中第6 段的段的公式公式7 给出各个谐振子发生的波的叠加给出各个谐振子发生的波的叠加,在推导过程没有简化在推导过程没有简化 或近似处理或近似处理,因此对波长短的情况也适用。只要对此特因此对波长短的情况也适用。只要对此特 殊情况进行讨论就行了。我把这个公式抄给你殊情况进行讨论就行了。我把这个公式抄给你,你可研你可研 究这个
12、问题。究这个问题。”谈话后艾瓦尔德忙于交论文谈话后艾瓦尔德忙于交论文,准备答辩。准备答辩。1912年得知劳厄年得知劳厄X射线衍射实验后，重新看给劳厄射线衍射实验后，重新看给劳厄 的公式，发现只要用的公式，发现只要用1/a,1/b,1/c作一种格子的平移作一种格子的平移 周期周期(倒格子倒格子)，再做一个与入射，再做一个与入射X射线波长有关的射线波长有关的 球球(反射球反射球)，就可解释衍射的几何关系。，就可解释衍射的几何关系。1992年国际晶体学会非周期晶体年国际晶体学会非周期晶体 学术委员会建议的晶体的定义：学术委员会建议的晶体的定义：“能给出明确衍射图的固体能给出明确衍射图的固体”。就是倒
13、空间的衍射而不用正空间就是倒空间的衍射而不用正空间 中的结构确定晶体的定义。中的结构确定晶体的定义。1849年布拉维提出年布拉维提出14种空间格子时讨论过倒易概念种空间格子时讨论过倒易概念 艾瓦尔德再发现，功不可没。艾瓦尔德再发现，功不可没。7一战他投笔从戎，问及专业，一战他投笔从戎，问及专业，X射线衍射理论，被分射线衍射理论，被分配到东线野战医院冲洗配到东线野战医院冲洗X射线透视底片。射线透视底片。1916年东线无年东线无大战事，闲极无事，在野战医院重操旧业。大战事，闲极无事，在野战医院重操旧业。1916-1917发表发表X射线衍射动力学理论射线衍射动力学理论 二战后积极提倡建立国际晶体学，
14、主编二战后积极提倡建立国际晶体学，主编晶体学报晶体学报，为晶体学发展很大贡献。，为晶体学发展很大贡献。衍射几何学和衍射几何学和X 射射 线衍射动力学线衍射动力学 理论理论 的贡献的贡献应获诺贝尔奖应获诺贝尔奖1985艾瓦尔德去逝后，设艾瓦尔艾瓦尔德去逝后，设艾瓦尔 德奖奖励在德奖奖励在X射线衍射动力学理射线衍射动力学理 论作出重要贡献科学家论作出重要贡献科学家晶体晶体X-ray 衍射的发现衍射的发现通过与艾瓦尔德讨论通过与艾瓦尔德讨论,劳厄酝酿一个实验劳厄酝酿一个实验:把晶体当作把晶体当作 三维光栅三维光栅,让一束让一束X射线穿过射线穿过,由于空间光栅的间距与由于空间光栅的间距与 X射线波长的
15、估计值在数量级上近似射线波长的估计值在数量级上近似,可期望观察到可期望观察到 衍射谱。衍射谱。劳厄这个想法劳厄这个想法,受到索末菲和维恩等著名物理学家的受到索末菲和维恩等著名物理学家的 怀疑怀疑,他们认为晶体中原子的热骚动将会破环晶格的他们认为晶体中原子的热骚动将会破环晶格的 规律性规律性,导致破坏任何衍射现象。伦琴也自发现导致破坏任何衍射现象。伦琴也自发现X 射射 线名扬四海后显得小心谨慎。线名扬四海后显得小心谨慎。P.Knipping伦琴研究生伦琴研究生W.Friedrich 索未菲索未菲助手助手 1912 年年4 月中月中,第一次第一次 实验把底片放置实验把底片放置 在硫在硫 酸铜晶体和
16、酸铜晶体和X射线之间射线之间 曝光数小时后无结果曝光数小时后无结果 第二次实验把底片放第二次实验把底片放 在晶体后面在晶体后面,类似透射类似透射 光栅终于在底片上观光栅终于在底片上观 察到在透射斑点附近察到在透射斑点附近 有一些粗大的、椭圆有一些粗大的、椭圆 形的形的 斑点斑点 劳厄意识到这个发现的重要劳厄意识到这个发现的重要 性性,决定决定3 人签名写一份材料人签名写一份材料 并与底片一起密封起来并与底片一起密封起来 现存于慕尼黑市的德意志现存于慕尼黑市的德意志 博物馆博物馆“从从1912 年年4 月月21 日起日起,签字人签字人(弗里德里希、克弗里德里希、克里平、劳厄里平、劳厄)曾从事曾从事X射线穿透晶体实验射线穿透晶体实验,指导思想指导思想是晶体的晶格会产生干涉是晶体的晶格会产生干涉,因为晶格常量大约是猜因为晶格常量大约是猜测的测的X射线波长的射线波长的10 倍。存档的倍。存档的53 号及号及54 号底片号底片为证。为证。照射物质：硫酸铜照射物质：硫酸铜 曝光时间：曝光时间：30min；软；软X射线管电流：射线管电流：2mA 底片与晶体间的距离：底片与晶体间的距离：53号号30m
