虎父無犬子:同年共得諾貝爾物理獎的布拉格父子

虎父無犬子:同年共得諾貝爾物理獎的布拉格父子
圖片來源:諾貝爾獎官方照片

我們想讓你知道的是

布拉格家族不但父子一起得獎,他們家的帥氣兒子威廉.羅倫茲.布拉格(William Lawrence Bragg)還是最年輕的諾貝爾物理獎得主!想忘也忘不了的布拉格公式,開啟了人類「看見」 晶體中原子排列的契機。

諾貝爾物理獎的頒發歷史上,最厲害的家族莫過於布拉格家族了。因為布拉格家族不但父子一起得獎,他們家的帥氣兒子威廉.羅倫茲.布拉格(William Lawrence Bragg)還是最年輕的諾貝爾物理獎得主!想忘也忘不了的布拉格公式,開啟了人類「看見」 晶體中原子排列的契機。

如何能夠看見晶體中原子的排列?1915年諾貝爾物理獎授與兩位父子物理學家——威廉.亨利.布拉格(William Henry Bragg)和其子威廉.羅倫茲.布拉格(William Lawrence Bragg),因為他們歸納出布拉格定律,使科學家能夠得知各種晶體的原子結構。

威廉亨利
圖片來源:諾貝爾獎官方照片
威廉.亨利.布拉格的諾貝爾獎官方照片。
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圖片來源:諾貝爾獎官方照片
威廉.羅倫茲.布拉格的諾貝爾獎官方照片。

我們在上回討論過范勞厄創立的X射線晶體學,證明了X射線的波動性質。不過,范勞厄並不能從X射線源分辨出不同波長的X射線。布拉格父子利用簡單的幾何學,假設晶體中每個平面上的原子都會散射X射線,解決了這個問題。這物理定律現在稱為布拉格繞射(在原子尺度散射跟繞射都是同一量子力學效應),而其數學表達式在高中物理之中亦有討論:

入射角度導致的光程差,等於入射波長的整數倍。

透過這公式,布拉格父子比對實驗結果中X射線光譜的強度,計算出多種晶體裡的原子排列結構。把入射角度慢慢傾斜,會發現散射出來的X射線強度改變。如果角度使X射線的波峰與波峰重疊,強度就會增加。反之,如果波峰與波谷重疊,強度就會減低。這樣,布拉格父子就能透過以不同角度重覆實驗,把晶體的結構勾畫出來。

布拉格父子發現了立方晶系(cubic crystal system)結構。立方晶系可細分為三種情況,分別稱為簡單立方(simple cubic)、體心立方(body-centered cubic)和面心立方(face-centered cubic)。這些都是基礎化學課裡會討論到的晶體結構。

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Image courtesy of Christophe Dang Ngoc Chan/Wikimedia Commons
布拉格繞射圖解,原子散射入射的X射線從而造成干涉現象。

另一方面,布拉格定律亦可以反過來被用作計算X射線的波長。因為X射線是頻率非常高的電磁波,其波長比可見光短約千倍,只有使用晶體中的原子作為繞射源才能量度出來。布拉格父子最終準確測量了不同X射線源發射出來的X射線波長。

當年科學界一直爭論地球上最堅硬的物質——鑽石——的原子結構。布拉格父子發現鑽石的原子排列結構是面心立方的一個特殊形式。這個結果亦有助解釋為何鑽石如此堅硬。

時至今天,探測晶體和份子的結構仍然依靠X射線晶體學技術。廣告有云:「鑽石恆久遠,一顆永留存。」范勞厄、布拉格父子和許多科學家的研究成果,將如同鑽石一樣,永遠傳承下去。

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Image courtesy of Cmglee/Wikimedia Commons
鑽石的面心立方結構。

本文經物理雙月刊授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


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