為什麼我們能「看」到晶體結構？

1914年5月19日，英國生物化學家佩魯茨在奧地利誕生。佩魯茨首次對球形蛋白，特別是對血紅蛋白結構進行X射線衍射分析。今天，我們來談一談，為什麼能看見微小物質的結構！

原子的直徑大小約為10?10米，人眼所能看到的最小尺寸大約是頭髮絲粗細，一般在0.1毫米左右。可是最好的光學顯微鏡放大倍數也只有1000倍，怎麼才能看到原子在材料中的分布和排列的呢？科學家找到了一些特殊的方法來達到這一目的。

准晶體材料

X射線的波長在1納米（10?9米）到0.01納米之間，跟原子尺度相近，同時具有很強的穿透力。我們可以利用X射線衍射來構造更為精細的顯微鏡。X射線是一種波長正好在原子尺度的電磁波，它以特定角度入射到晶體材料中時，會被規則排列的原子層反射。反射過程遵循布拉格定律，即只有原子層間距和入射波長滿足固定方程時，才會有出射波。因此，通過探測不同入射角度或出射角度下的X射線，就可以得出材料內各種可能的原子層間距，從而進一步推算出原子的排列方式。X射線衍射就像為觀察者戴上一副精巧的「眼鏡」，可以通過「透視」來「感知」原子的排列方式。

X 射線散射實驗裝備

類似地，我們還可以用中子來探測原子的排列方式，由於中子是電中性的（沒有凈電荷），因此它將主要被原子核反射，能夠非常精細地確定原子位置。中子還帶有磁矩，因此它還具有另一項獨一無二的功能——探測材料內部磁矩的排列方式，研究固體磁性的起源。利用X射線和中子的散射還可以研究材料內部原子或者電子的動力學性質，例如原子的熱振動、電子的運動方式、電子和電子間的相互作用過程、電子和原子核之間的相互作用等一系列問題。這些動力學過程是材料宏觀上的電、磁、熱等性質在微觀下的表現形式，對它們的研究可以促進我們理解材料的性質，指導我們尋找更適合應用的材料。X射線散射和中子散射是現代凝聚態物理研究的重要手段，它們的實現依賴於大型科學裝置（如同步輻射和核反應堆等）提供X射線光源和中子源。已經建成的中國的上海光源和正在建設的中國散裂中子源正是為此服務的。

二維准晶體結構

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