Sto let objevu rentgenové difrakce


Stanislav Daniš

 

 Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova v Praze

 

Každý objev je buď dílem náhody, nebo naopak ovocem pečlivého, a třeba i namáhavého úsilí. Náhoda vedla Wilhelma Conrada Roentgena v roce 1895 k objevu paprsků X. Přes veškeré úsilí se ani po sedmi letech bádání nepodařilo jejich povahu rozkrýt. Je to vlnění, nebo proud částic? Sám W.C.Roentgen se pokusil změřit vlnovou délkusvýchpaprsků, ale neuspěl.

Roku 1912 publikoval Arnold Sommerfeld analýzu difrakčního experimentu Waltera Phola a Kocha. Sommerfeld zdůvodnil určitou anomálii difrakčních obrazců nemonochromatičností paprsků X a odhadl střední vlnovou délku na 0.4 Å. Paprsky X by tak mohly být spíše vlněním...

Jedno z center tehdejší vědy byla Univerzita v Mnichově. Zde působil i W. C. Roentgen a na jeho doporučení i jeden z nejlepších teoretiků Arnold Sommerfeld. Díky své autoritě zřídil první Ústav teoretické fyziky a jako vyhlášený vědec a pedagog nemá o studenty nouzi. Mezi jeho doktorandy patří například budoucí nositelé Nobelových cen Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Peter Debye, Hans Bethe. Především však musíme zmínit Paula Petera Ewalda. Ten si jako téma disertační práce zvolil výpočet interakce elektromagnetického záření s periodickým polem elektrických dipólů. Své řešení konzultoval s Maxem Lauem, který pracoval ve skupině Arnolda Sommerfelda. V diskusi s Lauem připadl na myšlenku použít krystalovou mřížku jako difrakční mřížku pro paprsky X. Pokud by paprsky X byly opravdu vlnové povahy objevil by se na fotografické desce difrakční obraz. Opakovaně se k nápadu vracel, dokonce jej představil i Sommerfeldovi při jednom z mnoha setkání v kavárně Lutz. Sommerfeld ovšem na základě termodynamických úvah ukázal, že takový experiment je dopředu určen k nezdaru. Ani to však Lauea neodradilo, dokonce požádal Sommerfelda o jeho asistenta Waltera Friedricha. Sommerfeld souhlasil poté, co W. C. Roentgen dal k dispozici svého asistenta Paula Knippinga. Časově velmi náročný experiment se napoprvé nezdařil. Paul Knipping navrhl úpravy experimentálního uspořádání a na druhý pokus již byly pozorovány difraktované paprsky, viz obr. 1. To se událo 23.4.1912.

 

Obr.1. První lauegram (ZnS).

 

Naměření difrakčního záznamu je jedna věc, jeho interpretace věc druhá. Lauemu vysvětlil vznik difrakčního obrazce pomocí ohybu polychromatického záření na trojrozměrně periodické mřížce. Bylo to velmi odvážné vysvětlení o struktuře krystalů nebylo kromě několika teoretických prací známo vůbec nic; nebylo známo ani spektrum paprsků X. Proto se v článcích publikovaných krátce po úspěšném experimentu objevují neznámé mřížové parametry v jednotkách neznámé vlnové délky...

Není bez zajímavosti, že Ewaldova teoretická práce, týkající se interakce elektromagnetického záření s periodickým uspořádáním dipólů/atomů se nakonec stala první teorií difrakce Roentgenova záření na krystalech. Dynamická teorie tak předběhla kinematický přístup.

Na Laueho experimenty navázali mnozí další. Jmenujme alespoň otce a syna Braggovi, kteří na druhé straně Lamanšského průlivu nemalou měrou přispěli k experimentálnímu i teoretickému rozvoji právě se narodivší rentgenové difrakce.

V českých luzích a hájích se ve dvacátých a třicátých letech minulého století o rozvoj rentgenové vědy zasloužil prof. Václav Dolejšek, který se zabýval rentgenovou spektroskopií. Jeho několik žáků (Miloslav Valouch, Vilém Kunzl, Adéla Kochanovská) se stalo jakýmsi prazákladem stále utěšeně se rozrůstající obcerentgenářů“.

V současné době patří rentgenová difrakce k hojně používaným metodám studia (reálné) struktury materiálů, zejména ve spolupráci s rentgenovou spektrometrií. Metoda se za necelých sto let své existence stala standardním nástrojem v základním i aplikovaném výzkumu. Během právě uplynulých sto let se z malých mlhavých skvrn na fotografickém filmu zrodila množina metod využívajících rozptyl Roentgenova záření - PXRD, XRR, GID, GISAXS, XAS, SAXS, XMCD, XMLD, XANES, EXAFS, ...

Doufejme, ženaše milá rentgenová difrakce“ se i po dalších sto letech bude těšit tak velkému zájmu experimentátorů i teoretiků. Všechno nejlepší!