原子摄影的图47布拉格方法及其应用

2023-08-05 理论教育版权反馈

【摘要】：图47布拉格方法的一个简单的例子根据阿贝的理论，显微镜工作的过程是这样的：将原始图像分割成大量单独的带状图样；分别放大每个单独的带状图样；再次重叠这些带状图样从而获得放大后的图像。这就是为什么使用布拉格的方法只能拍摄晶体的照片，因为晶体分子总是原地不动，而由于液体和气体的分子在不停地四处运动和碰撞，因此没法被拍下来。

尽管上面的例子不存在任何影响原子假说正确性的疑点，但仍然只有“眼见为实”才能证明它是正确的，最令人信服的证据莫过于人们亲眼看到原子和分子的存在。这种视觉证明已经由英国物理学家威廉姆·劳伦斯·布拉格实现了，他发明了一种方法来获取不同晶体中不同原子和分子的照片。

但不要认为拍摄原子照片是一个简单的工作，因为给那么小的物体拍照的时候要确保光照的波长小于拍摄对象，不然照片就会模糊得一塌糊涂。用刷墙的刷子是没有办法画出波斯微型画的！研究微小的显微组织的生物学家很了解这一点，因为细菌的大小（约0.000 1厘米）与可见光的波长差不多。为了提高细菌在图像中的清晰度，他们在紫外光下拍摄了细菌的显微照片，由此获得了可能比通过其他方法所获得的照片都要清晰的影像。但是分子的大小和它们在晶格中的间隔是非常小的（0.000 000 01厘米），以至于当要求它们“坐”下来拍照时，无论可见光还是紫外光都没有任何用处。为了单独观察到分子，我们必须使用波长比为可见光几千分之一的射线，也就是说，我们不得不使用X射线。但如此一来我们会遇到一个似乎无法克服的困难：一般情况下X射线可以穿透任何物体且不发生折射，因此，当与X射线一起使用时，透镜和显微镜都无法工作。这种特性在医学上当然是非常有用的，因为光线在穿过人体时发生折射的话会使所有X光底片一片模糊，但这种特性又消除了任何通过X射线得到放大图片的可能性。

乍一看，似乎没戏了，但布拉格找到了一个非常巧妙的方法以摆脱困境。他以阿贝（Ernst Abbe）显微镜数学理论为基础，即任何微观图像都可以被视为大量独立图样的重叠，而每个单独图样又是一幅在视线范围内成一定角度的平行暗带。图47所示就是一个简单的例子，它展示了如何通过四个单独的带状图样重叠得到一个位于黑暗背景中央的明亮椭圆图像。

图47　布拉格方法的一个简单的例子

根据阿贝的理论，显微镜工作的过程是这样的：（1）将原始图像分割成大量单独的带状图样；（2）分别放大每个单独的带状图样；（3）再次重叠这些带状图样从而获得放大后的图像。

这个过程可能与使用若干单色板印刷彩色图片的方法有些类似。只看每一幅单独的彩图，你可能分辨不出这些图展示了什么，但只要它们以适当的方式重叠，整个画面就会变得明确且清晰。

制造一个能够全部自动执行这些步骤的X光透镜是不可能的，所以我们不得不逐步进行：先从各种不同的角度对晶体拍摄大量单独的X光带状图样，然后再将这些图样用一个适当的方式在相纸上重叠。这就和有X光透镜的效果是一样的，只不过透镜只需一瞬间就可以做到的事，在这里却需要花费一位熟练的实验人员很多个小时。这就是为什么使用布拉格的方法只能拍摄晶体的照片，因为晶体分子总是原地不动，而由于液体和气体的分子在不停地四处运动和碰撞，因此没法被拍下来。

虽然布拉格拍照片的方法不是轻按一下相机按钮那么简单，但合成的照片却也同样完美。就像出于技术原因不能在一张底片上拍下整座建筑一样，没有人会反对用几张独立的照片拼出一座大教堂的全貌。

图版Ⅰ就是通过布拉格的方法得到的一张六甲基苯分子的X光照片，化学家们用化学式表示为

我们从图版Ⅰ中可以很清晰地看到由6个碳原子组成的碳环和另外6个与它们连接的碳原子，然而相对较轻的氢原子却几乎是不可见的。

即使是怀疑主义者，在亲眼看到这些照片之后，也会同意分子和原子的存在已经被证实了。

原子摄影的图47布拉格方法及其应用

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