Tán xạ 

Tán xạ 
Như được mô tả trong phần dưới đây về toán học, sự tán xạ tia X được xác định bởi mật độ electron trong tinh thể. Vì năng lượng của một tia X lớn hơn nhiều so với điện tử hóa trị, nên sự tán xạ có thể được mô phỏng theo sự tán xạ của Thomson, tương tác của tia điện từ với một electron tự do. Mô hình này thường được sử dụng để mô tả sự phân cực của bức xạ rải rác.

Cường độ của tán xạ Thomson cho một hạt với khối lượng m và tính q là


I_o = I_e \left(\frac{q^4}{m^2c^4}\right)\frac{1+\cos^22\theta}{2} = I_e7.94.10^{-26}\frac{1+\cos^22\theta}{2} = I_ef

Do đó các hạt nhân nguyên tử, nặng hơn nhiều electron, đóng góp không đáng kể vào các tia X rải rác.

Phát triển từ năm 1912 đến năm 1920

Mặc dù các viên kim cương (trên cùng bên trái) và graphite (trên cùng bên phải) đều giống nhau về thành phần hoá học – cả về tinh thể-cacbon-tia X đều cho thấy sự sắp xếp các nguyên tử của chúng (dưới). Trong kim cương, các nguyên tử cacbon được bố trí tứ diện và được giữ lại với nhau bằng các liên kết đồng hóa trị đơn, làm cho nó mạnh mẽ theo mọi hướng. Ngược lại, graphite bao gồm các tấm xếp chồng lên nhau. Trong tấm, liên kết là đồng hóa trị và có đối xứng lục giác, nhưng không có liên kết cộng hóa trị giữa các tấm, làm cho graphite dễ dàng cắt thành các mảnh.
Sau khi nghiên cứu tiên phong của Von Laue, lĩnh vực phát triển nhanh chóng, nổi bật nhất là các nhà vật lí William Lawrence Bragg và cha ông William Henry Bragg. Trong những năm 1912-1913, người Bragg trẻ đã phát triển ra luật của Bragg, kết nối sự tán xạ quan sát với những phản xạ từ các mặt phẳng đều nhau trong tinh thể.  Braggs, cha và con, đã chia sẻ giải Nobel năm 1915 về Vật lý cho công việc của họ trong tinh thể học. Các cấu trúc sớm nhất nói chung là đơn giản và được đánh dấu bằng đối xứng một chiều. Tuy nhiên, khi các phương pháp tính toán và thí nghiệm được cải thiện trong những thập kỷ tiếp theo, có thể xác định được các vị trí nguyên tử đáng tin cậy để sắp xếp hai và ba chiều các nguyên tử phức tạp hơn trong tế bào đơn.

Tiềm năng của tinh thể học tia X để xác định cấu trúc của các phân tử và khoáng chất-sau đó chỉ được biết đến một cách mơ hồ từ các thí nghiệm hóa học và thủy động lực học đã được thực hiện ngay lập tức. Các cấu trúc sớm nhất là tinh thể vô cơ đơn giản và khoáng chất, nhưng ngay cả những điều này cho thấy các quy luật cơ bản của vật lý và hóa học. Cấu trúc phân giải nguyên tử đầu tiên được “giải quyết” (nghĩa là xác định) vào năm 1914 là của muối ăn.  Sự phân bố của các electron trong cấu trúc muối-bảng cho thấy các tinh thể không nhất thiết bao gồm các phân tử liên kết cộng hóa trị, và chứng minh sự tồn tại của các hợp chất ion. Cấu trúc kim cương đã được giải quyết trong cùng năm,  chứng minh sự sắp xếp tứ diện của các liên kết hóa học của nó và cho thấy rằng độ dài của liên kết đơn C-C là 1,52 angstrom. Các cấu trúc sớm khác bao gồm đồng, canxi florua (CaF2, còn gọi là florit), calcite (CaCO3) và pyrit (FeS2) năm 1914; spinel (MgAl2O4) vào năm 1915, các dạng rutil và anatase của titan dioxit (TiO2) vào năm 1916, pyrochroit Mn (OH) 2 và, bằng cách kéo dài, brucit Mg (OH) 2 vào năm 1919; .  Cũng trong năm 1919 natri nitrat (NaNO3) và cisium dichloroiodide (CsICl2) được xác định bởi Ralph Walter Graystone Wyckoff, và cấu trúc wurtzite (lục giác ZnS) được biết đến vào năm 1920. 

Cấu trúc graphite đã được giải quyết vào năm 1916  bằng phương pháp nhiễu xạ bột,  được phát triển bởi Peter Debye và Paul Scherrer, và độc lập bởi Albert Hull vào năm 1917.  Cấu trúc graphite được xác định từ nhiễu xạ đơn tinh thể vào năm 1924 bởi hai nhóm độc lập.  Hull cũng sử dụng phương pháp bột để xác định cấu trúc của các kim loại khác nhau, chẳng hạn như sắt  và magiê. 

Tầm quan trọng về văn hoá và thẩm mỹ 
Sir William Lawrence Bragg đã nói rằng ông tin rằng lĩnh vực tinh thể học đặc biệt chào đón phụ nữ bởi vì các kỹ thuật thẩm mỹ của các cấu trúc phân tử giống như hàng dệt và đồ gia dụng. Bragg được biết đến để so sánh sự hình thành pha lê với “màn cửa, hình nền, tranh khảm và hoa hồng” 

Năm 1951, Festival Pattern Group tổ chức Lễ hội Anh quốc tổ chức một nhóm các nhà sản xuất dệt may và nhà tinh chế có kinh nghiệm để thiết kế ren và in dựa trên kết tinh học X-quang của insulin, đất sét và hemoglobin. Một trong những nhà khoa học hàng đầu của dự án là Tiến sĩ Helen Megaw (1907-2002), Trợ lý Giám đốc Nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Cavendish ở Cambridge vào thời điểm đó. Megaw được coi là một trong những nhân vật trung tâm lấy cảm hứng từ sơ đồ tinh thể và nhìn thấy tiềm năng của họ trong thiết kế.  Năm 2008, Bộ sưu tập Wellcome ở Luân Đôn đã tổ chức một cuộc triển lãm về Nhóm Pattern Festival được gọi là “From Atom to Patterns”

Leave a Reply

Your email address will not be published.