X射线和中子衍射

由于X射线和中子的波长与原子间距相匹配，它们会从晶面发生相干散射，由此产生的衍射图样揭示了晶格中的原子位置。

Definition

X射线和中子衍射是通过测量从周期性原子阵列相干散射的辐射方向和强度来确定晶体结构的技术；当布拉格条件或等效的劳厄条件将散射矢量与倒易晶格矢量关联起来时，就会发生相长干涉。

Scope

本主题涵盖晶体对X射线和中子的衍射：布拉格反射定律和等效的劳厄条件，决定峰强度的结构因子和原子形状因子，厄瓦尔德球构造，以及X射线散射（对电子密度敏感）和中子散射（对原子核和磁矩敏感）提供的互补信息。它将相关主题的倒易晶格几何与结构的实验测定联系起来，而详细的仪器设备则留给应用领域。

Core questions

• 为什么探测波长必须与原子间距相当才能发生衍射？
• 布拉格反射定律和劳厄条件作为同一物理现象的表述，它们是如何等效的？
• 什么决定了衍射峰的强度？结构因子是什么？
• X射线和中子散射如何提供关于电子、原子核和自旋的互补信息？

Key concepts

• 布拉格定律和劳厄条件
• 结构因子和原子形状因子
• 厄瓦尔德球构造
• 电子密度引起的X射线散射
• 原子核和磁序引起的中子散射

Key theories

布拉格衍射定律

W. L. 布拉格将衍射建模为来自平行晶格平面的反射，当路径差等于波长的整数倍时发生相长干涉，从而给出了晶体结构测定的基本条件。

Clinical relevance

衍射是确定材料和生物分子原子结构的主要方法；X射线晶体学确定了DNA、蛋白质和无数化合物的结构，而中子衍射则独特地定位轻原子并解析磁性结构。

History

劳厄在1912年观察到晶体的X射线衍射，证明了X射线的波动性和晶体的晶格性质；布拉格父子在1913年提出了反射定律，使该方法定量化，而中子衍射则在20世纪40年代反应堆源可用后才得以发展。

Key figures

• Max von Laue
• William Lawrence Bragg
• William Henry Bragg

Seminal works

• bragg1913
• ashcroft1976

Frequently asked questions

为什么使用X射线而不是可见光来成像晶体？

衍射需要与待分辨间距相当的波长；原子间距约为1埃，这与X射线和热中子匹配，但比可见光波长小数千倍。

什么时候中子衍射优于X射线？

中子与原子核而非电子散射，因此它们能很好地探测氢等轻原子，并且对磁矩敏感，这使得它们非常适合定位轻元素和绘制X射线大部分无法探测的磁性结构。