射线的衍射与应用

第六节　x射线的衍射与应用

x射线

x射线是德国物理学家伦琴（1845—1923年）于1895年发现的，故又称为伦琴射线。如下图所示为x射线管的结构。图中G是一个抽成真空的玻璃泡，其中密封有电极K和A。K是发射电子的热阴极，A是阳极。两极间加数万伏高电压时，阴极发射的电子在强电场作用下加速，高速电子撞击阳极（靶）时，就从阳极发出x射线。x射线具有很强的贯穿能力，可以穿透几十毫米厚的铝板等。

X射线管的结构

它能使照相底片感光，能显示出装在盒子里的砝码、猎枪的弹膛和人手指骨的轮廓。实验证实了x射线是一种10^－3—10nm的电磁波。伦琴由于发现x射线，荣获首届诺贝尔物理奖。

x射线衍射

自从1895发现x射线以后，人们对它的本质和起源的认识并未取得任何重大进展。直到1912年，德国物理学家劳厄（1879—1960年）通过晶体衍射实验证明了x射线的波动性。因为x射线的波鹾与晶体原子间距（约为10^－10m）同数量级，晶体点阵可以对x射线起三维衍射光栅的作用，于是他设计了x射线衍射实验：x射线经晶体片衍射后使底片感光，实验得到一些规则分布的斑点（劳厄斑）。这个结果一方面证实了x射线的波动性，另一方面又证实了晶体具有空间点阵结构。

后来，英国物理学家布拉格父子提出一种比较简单的方法来说明x射线的衍射，认为x射线照射晶体时，晶体中有规则排列的微粒（原子、离子或分子）都是发射子波的中心，向各个方向发射子波，这些子波相干叠加，就形成衍射图样，x射线在晶体上衍射时，晶面间干涉主极大应满足的条件是

2dsinθ＝κλ（κ＝1，2，…）

上式称为布拉格公式，式中，d为两相邻晶面间的距离（晶格常数）；θ为x光与晶面之间的夹角（称为掠射角）。若一波长连续分布的x射线以一定方向入射到取向固定的晶体上，对于不同的晶面，d和θ都不同，只要对某一晶面，x射线的波长满足上边式子时，就会在该晶面的反射方向上获得衍射极大。对每簇晶面而言，凡符合布拉格公式的波长，都在各自的反射方向干涉，结果在底片上形成劳厄斑。

x射线的应用

布拉格公式广泛地用来解决下列两方面的重要问题：若已知晶面间距d，就可以根据x射线衍射由掠射角目算出入射x射线的波长，从而研究x射线谱，进而研究原子结构。反之，若用已知波长的x射线投射到某种晶体的晶面上，由出现最大强度的掠射角口可以算出相应的晶面间距，从而研究晶体结构和材料性能。x射线衍射仪及其衍射谱已经成为研究材料结构及性能的主要手段。

由于x射线穿透能力强，又能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离，所以工业上可用于金属探伤，医学上用于透视。但x射线直接照射人体超过一定计量时，会造成伤害，故工作时必须用能吸收x射线的铅板或铅玻璃等保护人体。

x射线衍射在生命科学中也发挥着巨大作用。1951年美国加州理工学院的泡令给出了纤维蛋白的α螺旋结构。他是依靠自己在结构化学方面的特长，从原子之问的立体化学关系、氢键的配置，采用拼搭模型的手段将螺旋结构猜出来的。基本上没有采用x射线衍射结构分析的手段。泡令的发现给当时美国青年生物学家沃森和英国物理学家克里克以很大触动。他俩参考了伦敦大学威尔金斯和富兰克林所获得的DNA的x射线衍射图谱，于1953年春提出了DNA的右手双螺旋结构模型，被誉为20世纪生命科学中最伟大的成就。以上两项工作的主要研究者于1962年分获诺贝尔生物医学奖及化学奖。