X先生自传(2)
但是，要从复杂的晶体衍射斑点推演出晶体内部结构却不是件容易的事情。英国物理学家布拉格父子为此做出了数学上的精巧推导，并总结出布拉格方程式。利用这个简洁的数学模型工具，科学家解出了许多物质的结构，如我们熟知的金刚石的结构是碳原子组成的正四面体。进一步的实验证实，晶体的X射线衍射花样与晶体中原子的空间排布互为傅里叶变换关系。劳厄和布拉格父子对X射线的研究诞生了一门新的技术——X射线衍射技术，它使得材料内部的原子排布不再神秘——所有的材料在我强大的照射下，都是可以“看穿”的。劳厄于1914年，布拉格父子于1915年分别获得诺贝尔物理学奖。
我的“超能力”
说完了我的历史故事，该说说我的“超能力”是什么了。
能力一：晶体结构分析。我的波长在0.01～1纳米之间，这正好相当于原子的大小以及固体中原子的间距。我的波长和电子的波长相当，不同的是，电子具有静止质量而我没有。那么当我入射到固体材料中时，里面的大量电子将把我散射出来，每个原子里的电子对我的散射形成叠加就相当于原子对我的散射，而每层规则排列的原子对我的散射叠加就相当于原子平面对我的反射。根据布拉格方程，对于特定波长的入射光，只会在某些角度有特定的出射光，这些角度对应着不同特征原子层间距，通过标示出这些原子层就可以推导出晶体中可能的原子排列方式。对于单晶材料(指内部微粒有规律地排列在一个空间格子内的晶体)，我可以在底片上留下规则的衍射斑点，采用傅里叶变换就可以得到原子的排列方式。改换不同的入射和出射方向，就可以得知晶体内部原子的三维空间排布方式；对于多晶材料(由诸多取向不同的小颗粒单晶组成)，则可以测量不同衍射角下的出射峰并推断其属于哪个原子层，不同的材料将有自己独特的一套衍射峰分布。如果建立一套多晶衍射数据库，里面有各种晶体结构的标准衍射数据，那么通过核对就可以轻松推断出晶体中的原子排布结构。这套衍射数据库现在被称为“粉末X射线衍射卡片库”，是材料学研究中最重要的数据库之一。DNA复杂的双螺旋结构，正是通过X射线衍射研究弄清楚的。
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能力二：元素成分分析。X射线管内靶材可以发射和靶材料有关的一系列特征谱——X射线标识谱，不同的元素具有各自独特的核外电子排布，因此就会有一系列独特的X射线标识谱。如果把需要研究的材料当作靶材，用高能电子去轰击它就可以得到许多套标识谱，通过标示这些谱线就可以分析出材料中含有的元素成分。通过谱权重(即特征谱线的面积)的分析就可以大致得出材料中元素的原子配比。通过类似的原理，我们还可以对离子晶体中离子的化学价态进行分析。通过一系列的分析，我们就可以得出新材料的元素组成和原子排布方式，从微观上探测清楚材料的性质。
能力三：有机物的动力学过程观测。对于长程有序的晶体材料，X射线可以给出离散的衍射点分布，而对于短程有序的有机生物大分子，X射线给出的是一些规律分布的衍射斑。一些生物大分子在外加条件如温度、电场、磁场等环境改变时会形成不同的排列方式，而通过观测它们的X射线衍射斑就可以知道这些过程是如何发生的。
能力四：固体材料中微观动力学研究。如果出射X射线和入射X射线能量存在变化，那就意味着X射线在材料中吸收或者失去了一定的能量。损失X射线的能量尺度正好相当于固体材料中原子-原子相互作用、原子-电子相互作用、电子-电子相互作用这些作用力的能量，那么通过测量不同能量损失的X射线分布，就可以认识材料中微观动力学过程。这些研究将促进对材料的力、热、光、电磁等性质的物理机制的理解。
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能力五：生物透视与工业探伤。由于我的强大能量，可以轻松穿透一些材料，那就可以无损伤探测生命体内部结构。如研究动物的骨骼分布，探测植物的生长情况等等。在医学上的应用就是医学影像学，通过X射线照射拍出的底片，可以看出体内病变的地方，可以看到胎儿在母亲体内的位置。借助计算机，还可以把不同角度的X射线影像合成出三维图像，这就是所谓电脑断层扫描(CT扫描)。在机场等地方的安检台其实就是一个X射线仪。由于X射线毕竟是高能辐射的一种，长期大剂量的辐射会影响人体的健康，故如今英美等国推广的全身安检扫描仪实际上是太赫兹射线扫描仪。它可以清晰地看到你身上密度较大的地方，一些金属材料如枪支弹药、刀具等等就无处藏身了。X射线的透视功能还可以用于工业探伤，即在不破坏加工出来的零件的前提下，探测内部是否存在加工缺陷。不过对于金属材料零件，则需要能量更高的伽马射线。
能力六：考古和宇宙学研究。X射线还可以用于考古，它不破坏棺木就可以扫描木乃伊的形态，也可以研究油画的创作过程。我们宇宙起源于135亿年前的一次“大爆炸”，而宇宙中许多强烈的天文现象都会发出X射线。X射线天文望远镜可以看到恒星如何被黑洞绞碎，星系间的碰撞，超新星和中子星的诞生等等过程。
【责任编辑】庞 云, http://www.100md.com(罗会仟)
我的“超能力”
说完了我的历史故事，该说说我的“超能力”是什么了。
能力一：晶体结构分析。我的波长在0.01～1纳米之间，这正好相当于原子的大小以及固体中原子的间距。我的波长和电子的波长相当，不同的是，电子具有静止质量而我没有。那么当我入射到固体材料中时，里面的大量电子将把我散射出来，每个原子里的电子对我的散射形成叠加就相当于原子对我的散射，而每层规则排列的原子对我的散射叠加就相当于原子平面对我的反射。根据布拉格方程，对于特定波长的入射光，只会在某些角度有特定的出射光，这些角度对应着不同特征原子层间距，通过标示出这些原子层就可以推导出晶体中可能的原子排列方式。对于单晶材料(指内部微粒有规律地排列在一个空间格子内的晶体)，我可以在底片上留下规则的衍射斑点，采用傅里叶变换就可以得到原子的排列方式。改换不同的入射和出射方向，就可以得知晶体内部原子的三维空间排布方式；对于多晶材料(由诸多取向不同的小颗粒单晶组成)，则可以测量不同衍射角下的出射峰并推断其属于哪个原子层，不同的材料将有自己独特的一套衍射峰分布。如果建立一套多晶衍射数据库，里面有各种晶体结构的标准衍射数据，那么通过核对就可以轻松推断出晶体中的原子排布结构。这套衍射数据库现在被称为“粉末X射线衍射卡片库”，是材料学研究中最重要的数据库之一。DNA复杂的双螺旋结构，正是通过X射线衍射研究弄清楚的。
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能力二：元素成分分析。X射线管内靶材可以发射和靶材料有关的一系列特征谱——X射线标识谱，不同的元素具有各自独特的核外电子排布，因此就会有一系列独特的X射线标识谱。如果把需要研究的材料当作靶材，用高能电子去轰击它就可以得到许多套标识谱，通过标示这些谱线就可以分析出材料中含有的元素成分。通过谱权重(即特征谱线的面积)的分析就可以大致得出材料中元素的原子配比。通过类似的原理，我们还可以对离子晶体中离子的化学价态进行分析。通过一系列的分析，我们就可以得出新材料的元素组成和原子排布方式，从微观上探测清楚材料的性质。
能力三：有机物的动力学过程观测。对于长程有序的晶体材料，X射线可以给出离散的衍射点分布，而对于短程有序的有机生物大分子，X射线给出的是一些规律分布的衍射斑。一些生物大分子在外加条件如温度、电场、磁场等环境改变时会形成不同的排列方式，而通过观测它们的X射线衍射斑就可以知道这些过程是如何发生的。
能力四：固体材料中微观动力学研究。如果出射X射线和入射X射线能量存在变化，那就意味着X射线在材料中吸收或者失去了一定的能量。损失X射线的能量尺度正好相当于固体材料中原子-原子相互作用、原子-电子相互作用、电子-电子相互作用这些作用力的能量，那么通过测量不同能量损失的X射线分布，就可以认识材料中微观动力学过程。这些研究将促进对材料的力、热、光、电磁等性质的物理机制的理解。
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能力五：生物透视与工业探伤。由于我的强大能量，可以轻松穿透一些材料，那就可以无损伤探测生命体内部结构。如研究动物的骨骼分布，探测植物的生长情况等等。在医学上的应用就是医学影像学，通过X射线照射拍出的底片，可以看出体内病变的地方，可以看到胎儿在母亲体内的位置。借助计算机，还可以把不同角度的X射线影像合成出三维图像，这就是所谓电脑断层扫描(CT扫描)。在机场等地方的安检台其实就是一个X射线仪。由于X射线毕竟是高能辐射的一种，长期大剂量的辐射会影响人体的健康，故如今英美等国推广的全身安检扫描仪实际上是太赫兹射线扫描仪。它可以清晰地看到你身上密度较大的地方，一些金属材料如枪支弹药、刀具等等就无处藏身了。X射线的透视功能还可以用于工业探伤，即在不破坏加工出来的零件的前提下，探测内部是否存在加工缺陷。不过对于金属材料零件，则需要能量更高的伽马射线。
能力六：考古和宇宙学研究。X射线还可以用于考古，它不破坏棺木就可以扫描木乃伊的形态，也可以研究油画的创作过程。我们宇宙起源于135亿年前的一次“大爆炸”，而宇宙中许多强烈的天文现象都会发出X射线。X射线天文望远镜可以看到恒星如何被黑洞绞碎，星系间的碰撞，超新星和中子星的诞生等等过程。
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