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X射线晶体衍射学的发现与历史

2022.9.24

  1912 年在人类的科学史上是一个重要的年份、一个里程碑式的年份,因为德国科学家劳厄(Maxvon Laue, 1879-1960)在这一年发现了X 射线晶体衍射现象,并开创了X 射线衍射物理学的研究。紧接着,英国科学家小布拉格(William LawrenceBragg,1890-1971)在劳厄发现的基础上开创了X 射线晶体学,而他的父亲老布拉格(WilliamHenry Bragg,1862-1942)又在X 射线晶体学的基础上开创了晶体X 射线光谱学。劳厄的发现证实了当时科学上的两个推论或猜想,即晶体具有周期性的点阵结构和X 射线具有波动性,是一类波长在纳米或更短的电磁波。利用X 射线衍射测定晶体的结构和对X 射线光谱的研究打开了人们探索人眼无法分辨的神秘的原子分子尺度的微观世界结构的大门,使科学从宏观到微观,提高到一个新的水平,做出了不可磨灭的贡献。这一发现不仅开创了X 射线衍射物理学、X 射线晶体学等新学科;在此基础上还迅即改造了一批旧学科,如晶体学、化学、矿物学、金属学和X 射线光谱学等,使它们建立在一个全新的、得到证实的科学基础上,获得加速发展;它们也成为以后一些新兴学科,如半导体物理学、固体物理学、结晶化学、结构生物学、基于结构的药物学和材料科学等的基础。还和今天的地球科学、环境科学、生命科学、医学、太空科学等密切相关。X 射线衍射的发现和X 射线晶体学的创立已经100 年了,回顾一下百年来X 射线晶体学的理论和应用的研究与发展,展望一下未来的可能前景该是有意义和有趣的。本文将在本人有限的水平上、能收集到的资料范围内、按个人观点对百年X射线晶体学的发展和影响做一简要的不完整汇总。这里要指出的是,X 射线衍射应用的广泛和深入的发展是和X 射线衍射设备的发展相伴前行的。X 射线衍射的深入研究,要求有更高分辨率、更高精准度、更高效率的实验仪器,而装置的发展又使X 射线衍射获得更精确、更深入的结果、更广泛的应用,就是这样相辅相成的发展着。在讨论X 射线衍射的发展时是离不开X 射线衍射实验设备发展的讨论的。

  X 射线衍射技术和可解决的问题是多方面的,最被广泛利用的是用一粒小单晶(在此粒晶体中,周期性是贯穿始终的)的衍射来测定晶体结构的单晶体衍射和利用粉末(一堆细小的单晶体)试样的衍射来探知多晶聚集体结构的粉末(或多晶体)衍射。由于单晶体衍射和粉末衍射在实验仪器,数据分析方法和可解决的问题等多方面都有不同,以后将分别进行讨论。另外,在X 射线晶体衍射基础上建立起来的X 射线光谱,有着不同的发展过程,也将平行讨论 [1] 。

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