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物理專文 以中子粉末繞射分析晶體結構 文/楊仲準、王進威 20 世紀中期以後，應用中子繞射技術分析晶體結構之技術漸趨成熟。 由於中子不帶電、具有磁矩、以及對不同元素有相同的數量級的散射長度等 特殊物理性質，使得分析所得之平均原子位置更加精確，並能解出磁有序溫 度下之磁結構。更重要的是能提高輕重元素的分辨率。本文將由中子與 X 光光源本質上的不同出發，比較兩者之優劣。並提出相關實例比較，以供讀 者對中子繞射有更進一步之瞭解。 自從西元 1912 年，勞厄(Max Von Laue)首度發現 X 光繞射儀已普遍成為許多研究機構的基本設備。而 X 光通過晶體的繞射現象以來，結晶固體的繞射研 中子源則需透過原子反應爐或是粒子加速器產生，使 究，一直在凝態物理中佔據著重要的地位。其後兩三 得相關的研究設備不易架設及取得。即使如此，世界 年間，布拉格父子(W. H. Bragg, W. L. Bragg) 透過對 各國目前仍然有許多興建與計畫中的中子繞射設備。 簡單結晶鹽類的 X 光繞射分析，寫下了簡潔優美的經 主要原因乃是中子具有許多特殊的物理性質，具有 X 典繞射公式：n λ=2dsinθ-(布拉格定律) 。他們的研究， 光不可取代的特點。並導致中子繞射儀在某些方面的 為晶體的繞射分析技術，奠定了重要的基礎。其後經 性能大大優於 X 光。主要包括： 由許多物理學家的努力，晶體繞射學已成為獲得結晶 1.X 光為電磁波，被原子散射的機制主要來自於 X 光 材料內部構造的重要工具之一。尤其近年來電腦運算 與核外之電子所發生的電磁交互作用。因此不同元 技術的快速發展，以及許多繞射分析的程式紛紛推 素間之「相對」X 光散射能力(原子散射因子) ，與 出，使得晶體結構的分析，得以更加快速精準。另一 元素的原子序(相當於所帶的電子數)有關。中子因 方面，量子力學與物質波理論的發展，使得具有適當 為不帶電，與原子的交互作用主要來自與原子核間 波長的基本粒子，亦被應用於晶體的繞射。現今常用 短程的強作用力。因此對於不同元素而言，中子的 之繞射光源，通常以 X 光、電子、與中子這三種光源 散射能力與原子序並無直接的關係(如圖一所示) 。 為主。 3 ) 36 各元素中子散射長度 m Ar 一、 中子與 X 光繞射之比較 c 2 2