为什么我们能“看”到晶体结构

原子的直径大小约为10-10米，人眼所能看到的最小尺寸大约是头发丝粗细，一般在0.1毫米左右。可是最好的光学显微镜放大倍数也只有1000倍，怎么才能看到原子在材料中的分布和排列的呢？科学家找到了一些特殊的方法来达到这一目的。

X射线的波长在1纳米（10-9米）到0.01纳米之间，跟原子尺度相近，同时具有很强的穿透力。我们可以利用X射线衍射来构造更为精细的显微镜。X射线作为一种波长正好在原子尺度的电磁波，它以特定角度入射到晶体材料中时，会被规则排列的原子层反射。反射过程遵循布拉格定律，即只有原子层间距和入射波长满足固定方程时，才会有出射波。因此，通过探测不同入射角度或出射角度下的X射线，就可以得出材料内各种可能的原子层间距，从而进一步推算出原子的排列方式。X射线衍射就像为观察者戴上一副精巧的“眼镜”，可以通过“透视”来“感知”原子的排列方式。

X射线散射实验装备

准晶体材料

类似地，我们还可以用中子来探测原子的排列方式，由于中子是电中性的（没有净电荷），因此它将主要被原子核反射，能够非常精细地确定原子位置。中子还带有磁矩，因此它还具有另一项独一无二的功能——探测材料内部磁矩的排列方式，研究固体磁性的起源。利用X射线和中子的散射还可以研究材料内部原子或者电子的动力学性质，例如原子的热振动、电子的运动方式、电子和电子间的相互作用过程、电子和原子核之间的相互作用等一系列问题。这些动力学过程是材料宏观上的电、磁、热等性质在微观下的表现形式，对它们的研究可以促进我们理解材料的性质，指导我们寻找更适合应用的材料。X射线散射和中子散射是现代凝聚态物理研究的重要手段，它们的实现依赖于大型科学装置（如同步辐射和核反应堆等）提供X射线光源和中子源。已经建成的中国的上海光源和正在建设的中国散裂中子源正是为此服务的。（罗会仟）

二维准晶体结构

【微博士】奇妙的准晶体

除了晶体和非晶体以外，还有一种固体介于两者之间，称为准晶体。准晶体可以通过金属合金液体在高温下迅速冷却获得。准晶体同样具有规则的外形，但这些形状非常奇怪，比如五边形在十四种晶格结构中是无法独立实现的。后来研究发现，准晶体实际上是由两种或者两种以上不同的晶体结构结合在一起的产物，通过不同晶格的组合，就可能实现这些具有独特对称性的材料。准晶体的发现展现出大自然的种种奇妙之处，因此，准晶体的发现者、以色列科学家谢赫特曼获得了2011年诺贝尔化学奖。

【微博士】上海光源——X射线实验的大型社区

X射线在现代社会具有非常丰富的用途。上海光源是一个高性能的第三代同步辐射光源，是中国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台，相当于一个大型的科学实验社区。上海光源能够进行从晶体结构分析、元素成分分析、微观动力学过程观测到生物透视和人体透视等重要的科学研究和实用研发项目，来自全世界各学科的科学家在这里进行基础研究和技术开发。

【微问题】自然界中，哪里能找到晶体呢？

【关键词】晶体　晶体结构