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为什么我们能“看”到微小的晶体结构？

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1914年5月19日，英国生物化学家佩鲁茨在奥地利诞生。佩鲁茨首次对球形蛋白，特别是对血红蛋白结构进行X射线衍射分析。今天，我们来谈一谈，为什么能看见微小物质的结构！原子的直径大小约为10?10米，人眼所能看到的最小尺寸大约是头发丝粗细，一般在0.1毫米左右。可是最好的光学显微镜放大倍数也只有1000倍，怎么才能看到原子在材料中的分布和排列的呢？科学家找到了一些特殊的方法来达到这一目的。 X射线的波长在1纳米（10?9米）到0.01纳米之间，跟原子尺度相近，同时具有很强的穿透力。我们可以利用X射线衍射来构造更为精细的显微镜。X射线是一种波长正好在原子尺度的电磁波，它以特定角度入射到晶体材料中时，会被规则排列的原子层反射。反射过程遵循布拉格定律，即只有原子层间距和入射波长满足固定方程时，才会有出射波。因此，通过探测不同入射角度或出射角度下的X射线，就可以得出材料内各种可能的原子层间距，从而进一步推算出原子的排列方式。X射线衍射就像为观察者戴上一副精巧的“眼镜”，可以通过“透视”来“感知”原子的排列方式。类似地，我们还可以用中子来探测原子的排列方式，由于中子是电中性的（没有净电荷），因此它将主要被原子核反射，能够非常精细地确定原子位置。中子还带有磁矩，因此它还具有另一项独一无二的功能——探测材料内部磁矩的排列方式，研究固体磁性的起源。利用X射线和中子的散射还可以研究材料内部原子或者电子的动力学性质，例如原子的热振动、电子的运动方式、电子和电子间的相互作用过程、电子和原子核之间的相互作用等一系列问题。这些动力学过程是材料宏观上的电、磁、热等性质在微观下的表现形式，对它们的研究可以促进我们理解材料的性质，指导我们寻找更适合应用的材料。X射线散射和中子散射是现代凝聚态物理研究的重要手段，它们的实现依赖于大型科学装置（如同步辐射和核反应堆等）提供X射线光源和中子源。已经建成的中国的上海光源和正在建设的中国散裂中子源正是为此服务的。

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更新时间：2024-01-01 08:04:02
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