1912年的夏天

德國物理學家勞厄發現了X射線穿過晶體會產生繞射現象

從此確認了X射線是一種電磁波

而後

同年的十一月

布拉格也發表了「布拉格定律」

不但給出了一個精確的X射線波長測量方式

也給出了繞射現象的模型

從這時開始

X射線不再只是應用於穿透作用這麼簡單了

就讓我們繼續來聊聊X射線有哪些應用吧！

在上個單元中

我們提到X射線因為波長比可見光要小上許多

因此利用過往的人造狹縫實驗無法證實X射線具有繞射的波動性

然而

如果X射線遇到的是排列整齊的天然晶格

那麼便能產生繞射條紋

這是因為晶體中

原子間隔的尺寸

恰好貼近X射線的波長

從這段內容中

大家可以想想一個問題

既然通過晶體的X射線會產生特定的干涉條紋

那我們是否能根據生成的干涉條紋圖形、X射線的波長、角度

反過來推算晶體的晶格間距及結構呢？

答案是「當然可以」這就是所謂的X射線晶體學

在現今

這門技術已經揭示了許多生物分子的功能

例如維生素、蛋白質

也正是因為這項技術

大家才認識了的DNA結構是雙股螺旋

那麼你知道嗎？

不只是分子結構

X射線居然還能幫助我們辨別被照射的物質裡

有什麼種類的原子喔！

真是太神奇了！

到底怎麼辦到的呢？

就讓我們直接來看照射靶材

偵測X射線光強度的實例吧！

畫面為科學家利用三十五KeV的電子束撞擊鉬金屬製成的靶

所產生的X射線頻率光強紀錄圖

可以看到紀錄圖中

既有波長連續分布的X射線

畫面中還有兩處有奇異的峰值

這就是我們現今用X光來偵測物質原子、分子種類的秘密武器

稱為特性光譜

不論你用何種角度的電子束照射

只要能量足夠

都可以看到相同的待測物質

產生相同的特性光譜

接著

讓我們更進一步的理解連續光譜與特性光譜的成因吧

我們先來解釋連續光譜是如何形成的

它的成因其實很單純

就是電子在撞上金屬原子時

並不會只有一次碰撞

而是多次碰撞

因為每次撞擊的能量損耗都不是固定的

因此損耗所轉化的電磁波頻率自然也會是連續的

再來是特性光譜（峰值）的成因

有趣的是

畫面中這兩個神奇的峰值

其實並不是撞擊電子直接產生的喔！

而是金屬靶材的內部電子產生的

這裡面的電子到底發生了什麼事呢？

讓我們用更微觀的尺度來觀察吧！

畫面中的原子核外圍

有自己的電子正在繞軌道旋轉

根據高一時學到的波耳氫原子模型可以知道

電子必須在特定的軌道上運動才行

而因為軌道不連續

這個靶材的電子在軌道上的能量

也呈現不連續的階梯狀分布

稱為能階

當外來的高速電子

撞擊到這些靶材電子時

便有機會直接把內層的靶材電子激發

留下一個空位

於是外層的靶材電子就會填補這個空位

從而射出特性光子

以我們看到的兩個特性光譜為例

分別是鉬原子電子從軌道n等於2

到n等於1

以及n等於3

到n等於1

所釋放的光譜

這樣子你明白了嗎？

順帶一提

特性光譜偵測的這項技術不僅能用在偵測單一元素的物質中

也能偵測複合元素的原子分布喔！

現今偵測的實際方法不是使用高速電子進行撞擊

而是利用外來x射線直接照射待測元素

此方法同樣可以使原子內層電子發生躍遷

從而產生原子自身的x射線

例如在歷史文物畫作的考究上

X射線的特性光譜便能用來進行畫作繪製過程的考究

當我們逐點掃描畫作並進行分析後

便能看出不同色域有哪些原子成分

這項技術也能幫助收藏家們鑑別畫作是否曾經遭到破壞

或是被二次修改

是不是很神奇呀！

除此之外

特性光譜在過去還幫助了化學家們釐清元素週期表較為合理的排列方式

早期在1913年以前

化學家們是依據質量數對原子進行排列的

而在1913年之後

莫斯利研究了三十八種元素的X射線光譜

利用特性光譜的波長和原子序的關聯性

證實了原子序才是決定週期表排列的基礎

這對整個化學界有著意義非凡的影響

讓我們最後再來回顧一下這集影片的重點內容

藉由繞射圖形的逆推

X射線也能分析分子的排列結構

X射線照射靶材時

因電子連續碰撞

會放出連續光譜

X射線照射靶材內原子的內層電子

能使其躍遷至激發態

而後放出特性光譜

此特性可用於材料分析

X射線的高穿透能力

能應用於醫療或工程的檢測

想一想

這是一張機場海關的X光行李透視圖

認識了X射線原理與應用的你

能否回過頭來解釋

這張透視圖是利用我們介紹的哪些原理生成的呢？

歡迎留言分享你的想法

我們下次見囉

bye bye