第六節(jié)　x射線的衍射與應用

x射線

x射線是德國物理學家倫琴（1845—1923年）于1895年發(fā)現(xiàn)的，故又稱為倫琴射線。如下圖所示為x射線管的結(jié)構(gòu)。圖中G是一個抽成真空的玻璃泡，其中密封有電極K和A。K是發(fā)射電子的熱陰極，A是陽極。兩極間加數(shù)萬伏高電壓時，陰極發(fā)射的電子在強電場作用下加速，高速電子撞擊陽極（靶）時，就從陽極發(fā)出x射線。x射線具有很強的貫穿能力，可以穿透幾十毫米厚的鋁板等。

X射線管的結(jié)構(gòu)

它能使照相底片感光，能顯示出裝在盒子里的砝碼、獵槍的彈膛和人手指骨的輪廓。實驗證實了x射線是一種10^－3—10nm的電磁波。倫琴由于發(fā)現(xiàn)x射線，榮獲首屆諾貝爾物理獎。

x射線衍射

自從1895發(fā)現(xiàn)x射線以后，人們對它的本質(zhì)和起源的認識并未取得任何重大進展。直到1912年，德國物理學家勞厄（1879—1960年）通過晶體衍射實驗證明了x射線的波動性。因為x射線的波鹺與晶體原子間距（約為10^－10m）同數(shù)量級，晶體點陣可以對x射線起三維衍射光柵的作用，于是他設(shè)計了x射線衍射實驗：x射線經(jīng)晶體片衍射后使底片感光，實驗得到一些規(guī)則分布的斑點（勞厄斑）。這個結(jié)果一方面證實了x射線的波動性，另一方面又證實了晶體具有空間點陣結(jié)構(gòu)。

后來，英國物理學家布拉格父子提出一種比較簡單的方法來說明x射線的衍射，認為x射線照射晶體時，晶體中有規(guī)則排列的微粒（原子、離子或分子）都是發(fā)射子波的中心，向各個方向發(fā)射子波，這些子波相干疊加，就形成衍射圖樣，x射線在晶體上衍射時，晶面間干涉主極大應滿足的條件是

2dsinθ＝κλ（κ＝1，2，…）

上式稱為布拉格公式，式中，d為兩相鄰晶面間的距離（晶格常數(shù)）；θ為x光與晶面之間的夾角（稱為掠射角）。若一波長連續(xù)分布的x射線以一定方向入射到取向固定的晶體上，對于不同的晶面，d和θ都不同，只要對某一晶面，x射線的波長滿足上邊式子時，就會在該晶面的反射方向上獲得衍射極大。對每簇晶面而言，凡符合布拉格公式的波長，都在各自的反射方向干涉，結(jié)果在底片上形成勞厄斑。

x射線的應用

布拉格公式廣泛地用來解決下列兩方面的重要問題：若已知晶面間距d，就可以根據(jù)x射線衍射由掠射角目算出入射x射線的波長，從而研究x射線譜，進而研究原子結(jié)構(gòu)。反之，若用已知波長的x射線投射到某種晶體的晶面上，由出現(xiàn)最大強度的掠射角口可以算出相應的晶面間距，從而研究晶體結(jié)構(gòu)和材料性能。x射線衍射儀及其衍射譜已經(jīng)成為研究材料結(jié)構(gòu)及性能的主要手段。

由于x射線穿透能力強，又能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離，所以工業(yè)上可用于金屬探傷，醫(yī)學上用于透視。但x射線直接照射人體超過一定計量時，會造成傷害，故工作時必須用能吸收x射線的鉛板或鉛玻璃等保護人體。

x射線衍射在生命科學中也發(fā)揮著巨大作用。1951年美國加州理工學院的泡令給出了纖維蛋白的α螺旋結(jié)構(gòu)。他是依靠自己在結(jié)構(gòu)化學方面的特長，從原子之問的立體化學關(guān)系、氫鍵的配置，采用拼搭模型的手段將螺旋結(jié)構(gòu)猜出來的?；旧蠜]有采用x射線衍射結(jié)構(gòu)分析的手段。泡令的發(fā)現(xiàn)給當時美國青年生物學家沃森和英國物理學家克里克以很大觸動。他倆參考了倫敦大學威爾金斯和富蘭克林所獲得的DNA的x射線衍射圖譜，于1953年春提出了DNA的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，被譽為20世紀生命科學中最偉大的成就。以上兩項工作的主要研究者于1962年分獲諾貝爾生物醫(yī)學獎及化學獎。