1915年諾貝爾物理獎：布拉格父子

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。

 

 
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。

 

 
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。