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同学们好
今天我们讲一讲
关于X射线衍射的问题
那么什么是X射线
X射线是怎么发现的
这是德国人伦琴
在上世纪末的时候
它发现的
它用高速电子撞击金属
发现能够产生一种射线
这种射线的话呢
能够使胶片感光
空气电离
荧光物质发光等等
但是呢它又不带电
这种射线又不带电
当时不知道是什么东西
所以呢 叫它为X射线
伦琴就是因为发现了X射线
在1901年获得了诺贝尔物理奖
这是第一个诺贝尔物理奖
伦琴当时的实验是这么做的
它做了一个玻璃管
玻璃管里头抽上真空
完了呢 有两个电极
一个阴极K 一个阳极A
阳极就是金属的
完了用高压加几万伏的高压
在阳极跟阴极之间
电子打到A阳极上去
最后呢就能够产生X射线
也就是说加速阴极发射的热电子
完了呢 最后撞击到阳极上
产生了X射线
进一步劳厄等人做实验
研究X射线究竟是什么东西
劳厄在1912年的时候
做了个实验
它把已经产生了的X射线
通过一个狭缝
射到一个晶体上去
射到一个晶体上去以后
最后发现在背后的屏上
产生了一些点
这些点就称之为劳厄斑
劳厄做这件事情
实际上把晶体
当成了X射线的一个光栅
就相当于我们前面说的光栅
所以衍射图样
证实了X射线它是波
它就是一种电磁波
它只是波长
比可见光要短很多很多
X射线的波长
大概是10的负2
到10的一次方纳米
这么一个范围之内
那么这里的晶体相当于
起到了对X射线来说
是一个光栅的作用
而且是一个三维光栅
讲完X光是怎么产生以后
我们来讲一讲
X射线在晶体上是怎么衍射的
这是一个氯化钠的晶体
那么它晶面
晶面跟晶面之间的间隔
我们称之为一个晶格常数d
那么氯化钠
这里的晶格常数d的话是0.28个纳米
φ是掠射角
那么我们这里来看的话
这里的晶面的话
我们说是这么一个
一格一格中间是d
其实的话
它如果这个方向一格一格呢
中间它晶格常数就变成d'了
它有不同的晶面
如果这么来画的话呢
它就是d''
还可以画出其它来 很多
这是晶体结构是这个样子
那么当X射线射进去以后
首先这些每个原子
都是散射子波的波源
这是第一个物理图像
第二个事情的话呢
就是说我在同一个层面上
上面同一个层面上
像1这一束光
在同一个层面上
那么它们
同一层面上 同一层面上
是符合反射定律的散射光
它会加强的
这么个原理
这是第二
第三点的话呢
面间的散射光的干涉问题
那么刚才我们可以看到
第一个面跟第二个面
它们相间隔是d
那么第一束光从这儿到这儿
第二束光从低下那一层到这儿
这两束光是可以产生干涉的
当然它们产生干涉是有条件的
这个条件就是说
它们的光程差
AC加上CB就应该等于
2d sinφ的话
这就是它们的光程差
它们的光程差2d sinφ
就应该是λ的整数倍
那么这就是
这两个两束光相干的条件
那么这个公式
是很重要的关于晶体
散射的公式
那么称之为乌利夫布拉格公式
那么这个是研究
晶体散射的一个基本的公式
那么有了这个公式以后
我们就可以发现
有很多应用等着我们去开发了
首先一个
如果我们已经知道晶体的晶面
那么我现在入射的时候的角度
我已经知道是φ
而且呢
我入射的x光的波长我也知道
利用这个公式
我可以测出这个晶体的d是多少
晶格的常数是多少
这是我可以做的一个事情
所以用这个方法
可以研究晶体的结构
对晶体的结构进行分析
这是第一方面的应用
我们也可以有另外方面的应用
比如说我已经知道了φ
已经知道晶体的结构了
我用这个晶体
去探测一个未知的X光
我可以知道它的波长是多少
那么这就是X射线的光谱分析
X射线的光谱分析
好 那么由于布拉格父子
威廉·享利·布拉格
跟威廉·劳伦斯·布拉格
它们父子两个
利用X射线分析晶体结构
取得了1915年的诺贝尔物理奖
这是父子共同得诺贝尔物理奖的
唯一的一个例子
那么实际上
我要用X射线衍射
实际的作法有两类
一类的作法是劳厄的做法
劳厄的做法是这样
刚才我们已经看到的劳厄
他就是研究X射线的
这个实验的装置图
X射线通过一个狭缝
完了射到晶体上
最后得到晶体劳厄斑
那么我们也知道的
它符合这么个公式
2dsinφ等于
乌利夫布拉克公式kλ 这个关系的
我们也知道晶体的结构
是这么个情形是吧
好 下面我们来看
劳厄的办法怎么样呢
劳厄的办法
是连续谱的X射线照射晶体
也就是说
它用不同的波长的X射线
去照射晶体
这些照射晶体以后
我得到晶体的所有面
晶面族反射的主级大
从这晶体来看
它有好多晶面族
这样的是晶面族
红颜色的这也是一个晶面族
这个方向它也是晶面族的
不同的晶面族
那么从这里头来看的话呢
这个晶面族它反射是这个方向
反射这个方向 对吧
而这个晶面族的话呢
入射光是这样子
反射是这个方向
每一个主极大都对应一个亮斑
这个亮斑就称之为劳厄亮斑
这样呢我们得到的劳厄图
就称之为劳厄相
那这个办法的话呢
可以来确定晶轴的方向
根据这个公式的话
d我已经知道了
λ我随时在改变
我在某个λ的时候
得到了这么个劳厄斑
那么就能够确定
到底我入射角是怎么个入射角
根据这个入射角我就知道
我这个晶面
究竟是个怎么样的方向
我可以定出我的晶轴来
这是劳厄法的做法
还有一个方法就是粉末法
劳厄法是用的是晶体
一个完整的单晶
粉末法是
就是说把晶体磨成粉末
然后用确定λ的X射线
入射到这种多晶粉末上去
那么这些粉末
由于是大量的晶面体
无规则的晶面取向
各种晶面取向它都有
那么总可以使得布拉格条件
在有些情况下得到满足
那么这样就得到的衍射图
称之为德拜相
这个办法呢
也可以来确定晶格常数d
那么这个就是德拜相的
衍射的图样
那么这就是刚刚说的劳厄相的
衍射的图样
这是两种不同的方法
这个呢可以测定晶格常数
刚才那个呢可以确定晶面的取向
那么我们前面已经讲到
普通的光学的光栅
光栅衍射
现在呢
X射线我们说
做不出一个光栅来
它只能靠晶体来衍射
X射线的衍射
跟普通的光栅的衍射
到底有什么区别呢
我们说X射线的衍射
它有一系列布拉格条件限定
晶体内有许多晶面族
而入射方向
跟λ一定的时候的话呢
跟第i个晶面族
那么它有这么一个方程满足
这是对X射线来说
它有一系列布拉格条件
它都可以满足
那么对于一维光栅来说呢
它只有一个干涉加强条件
那就是所谓的光栅方程
这是第一个不同
第二个不同的话呢
对于晶体来说
如果它的di知道
它的φi也知道
λ也都确定了
这个三者都确定的话
它不一定能够满足
布拉格公式的条件
这个都确定的话
它不一定能够满足了是吧
关系的
而对于以为光栅来说
λ确定了
入射方向角确定以后
它一定会在某一个φ衍射角上
满足光栅的方程
那么这就是X衍射
跟一维光栅衍射的
一些区别的地方
关于X光的衍射
有非常多的应用
那么历史上
曾经起到非常大的作用
现在依然在起作用
比如说我们大家熟悉的DNA的结构
就是使用X光衍射得到的
那么作为X光的衍射
我想首先
要有一个好的X光的光源
当然这个衍射图样
你要能够读得懂
也是一个重要的因素
那么这一方面的话呢
我前不久参观了上海的上海光源
上海光源就是一个同步辐射
提供可相干的X光的光源
我发现清华生命学院的老师们
正在那里进行生物各类研究
而且它们就是利用这个光源
得到了非常好的研究的成果
这堂课我们就讲到这里
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理,电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量,极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律(续)
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
-WEEK6--本周作业
-铁磁介质和简单磁路
--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
-自感和互感
--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
-WEEK7--本周作业
-暂态过程和磁场能量
--磁场的能量
-磁场和电场的相对性
-位移电流和麦克斯韦方程组
--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
-电磁波、坡因廷矢量和光压
--电磁波
--坡印廷矢量
--电磁波的动量
--光压——辐射压强
-本周作业
--week8--本周作业
-波动光学—引言
--波动光学——引言
-WEEK9--波动光学—引言
-杨氏双缝干涉、相干光
--光的干涉
--双缝干涉
-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光
-光源及发光性质
--光源的发光特性
--时间相干性
--空间相干性
-WEEK9--光源及发光性质
-光程、等倾和等厚干涉
--光程
--薄膜干涉(一)
--薄膜干涉(二)
-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉
-迈克耳逊干涉仪
--迈克耳逊干涉仪
-WEEK9--本周作业
-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
--惠更斯原理
--单缝夫琅禾费衍射
-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
-光栅衍射
--光栅衍射
--光栅衍射(续)
-WEEK10--光栅衍射
-光学仪器分辨本领
-WEEK10--光学仪器分辨本领
-X射线晶体衍射
--X射线的衍射
-WEEK10--X射线晶体衍射
-WEEK10--本周作业
-光的偏振状态和偏振片
--光的偏振状态
--起偏和检偏
-WEEK11--光的偏振状态和偏振片
-反射和折射光偏振
-WEEK11--反射和折射光偏振
-晶体双折射、波片
--双折射
--双折射(续)
--波片
-WEEK11--晶体双折射、波片
-偏振光干涉、人工双折射和旋光
--偏振光的干涉
--人工双折射
--旋光现象
-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光
-量子物理诞生和黑体辐射
--量子物理
--黑体辐射
-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射
-WEEK11--本周作业
-光电效应、光子和康普顿效应
--光电效应
--光子
--光子(续)
--光子(续2)
--康普顿效应
-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应
-物质波、波函数和概率密度
--物质波
--波函数
--波函数(续)
-WEEK12--物质波、波函数和概率密度
-不确定性关系
--不确定关系
-WEEK12--不确定性关系
-薛定谔方程
--薛定谔方程
-WEEK12--薛定谔方程
-一维无限深势阱
--一维无限深势阱
-WEEK12--一维无限深势阱
-WEEK12--本周作业
-一维问题
--一维谐振子
--势垒穿透
--扫描隧道显微镜
-WEEK13--一维问题
-氢原子能级和角动量
--原子中的电子
--能量量子化
-WEEK13--氢原子能级和角动量
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-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理
-WEEK13--本周作业
-X射线、激光、分子光谱简介
--video
--Video
--分子光谱简介
--激光
--光学谐振腔
-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介
-固体电子气模型和量子统计
--固体
--自由电子气体模型
--量子统计
-WEEK14--固体电子气模型和量子统计
-能带模型
--能带
-能带模型--作业
-本周作业
--WEEK14--本周作业
-半导体和PN结
--Video
--Video
-WEEK15--半导体和PN结
-原子核性质、核磁共振
--Video
--Video
--Video
-WEEK15--原子核性质、核磁共振
-放射性和衰变规律
--Video
--α衰变
--穆斯堡尔效应
--β衰变
-WEEK15--放射性和衰变规律
-结合能、核力
--核的结合能
--核力
-WEEK15--结合能、核力
-粒子物理简介
--基本粒子
-WEEK15--粒子物理简介
-本周作业
--WEEK15--本周作业
-期末考试--期末考试题Part1
-期末考试--期末考试Part2
-期末考试--期末考试Part3