חוק בראג

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

חוק בראג הוא חוק שנוסח על ידי הפיזיקאי ויליאם לורנס בראג ב-1912, לאחר ניסויים בהם נחקרה האינטראקציה של קרני רנטגן או קרני נייטרונים עם גבישים, תופעה המכונה "עקיפה של קרני רנטגן" (או נייטרונים).

למרות פשטותו, חוק בראג אישש את קיומם של חלקיקים תת-אטומיים ממשיים בסקלה האטומית, ובעיקר סיפק כלי חדש ועוצמתי לחקר מבנה הגבישים. בראג זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1915 יחד עם אביו, ויליאם הנרי בראג, על עבודתם לקביעת מבנים גבישיים, החל במלח בישול, אבץ סולפיד ויהלום; ועל תרומתם לשיטה בכללותה, כולל ניסוח החוק על ידי בראג הבן, ופיתוח ספקטרומטר של קרני רנטגן ששימש למדידות על ידי בראג האב.

רקע[עריכת קוד מקור | עריכה]

כאשר קרני רנטגן פוגעות באטום, הן גורמות לענן האלקטרונים שלו לנוע, בדומה לכל שדה אלקטרומגנטי. תנועת המטענים (האלקטרונים) גורמת לפליטה מחדש של גלים אלקטרומגנטיים באותה תדירות (פרט להרחבה קלה של טווח התדירויות, מסיבות שונות); תופעה זו ידועה בשם פיזור ריילי (או פיזור אלסטי). הגלים המפוזרים יכולים לעבור פיזור בעצמם, אך פיזור שניוני זה זניח ואין התייחסות אליו בחוק בראג. תהליך דומה קורה בפיזור גלי נייטרונים מגרעיני האטומים, או על ידי אינטראקצית ספין קוהרנטית עם אלקטרון לא-מזווג. הגלים הנפלטים מתאבכים זה עם זה, התאבכות בונה או הורסת (גלים חופפים נסכמים לקבלת גל חזק יותר, או מקזזים אחד את השני במידה מסוימת, עד להרס הגל באופן מוחלט). התאבכות זו יוצרת תבנית עקיפה על גלאי או סרט צילום. ניתן לנתח את תבנית ההתאבכות לפי כללי העקיפה, ולקבל מידע לגבי הגורמים לפיזור הגלים - האטומים ומיקומם היחסי בגביש.

Diffusion rayleigh et diffraction.png

החוק[עריכת קוד מקור | עריכה]

לפי הסטייה בזווית, 2θ, מתקבלת התאבכות בונה (שמאל) או הורסת (ימין)

תתקבל התאבכות בונה כאשר הפרש הפאזה בין הגלים המוחזרים הוא כפולה של 2π. ניתן להביע תנאי זה בעזרת חוק בראג:

n\lambda=2d\cdot\sin\theta \,

כאשר

  • n מספר שלם, בהתאם לסדר העקיפה
  • λ אורך הגל של קרני הרנטגן, או של אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים בתנועה
  • d המרווח בין המישורים בסריג הגבישי
  • θ הזווית בין הקרן הפוגעת למישורים המפזרים

החוק תקף גם לחלקיקים כגון אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים, להם אורך גל, כפי שהראה לואי דה ברויי (ראו גם: השערת דה ברויי).

מרחב הופכי[עריכת קוד מקור | עריכה]

למרות התפישה הנפוצה לפיה מודד חוק בראג מרחקים אטומיים במרחב הממשי, לא כך הדבר. כפי שמראה האיבר  n\ \lambda, החוק מודד את מספר אורכי הגל הנכנסים בין שתי שורות אטומים, כלומר - מרחק הופכי. מקס פון לאואה פירש זאת נכונה בצורה וקטורית במשוואות לאואה.

 G\ =\ kf\ -\ ki

בשילוב תנאי הפיזור האלסטי  |kf| = |ki|, ועם הצבת זווית הפיזור 2 \theta, מתקבל חוק בראג. מושג הסריג ההופכי הוא מרחב פורייה של השריג הגבישי, והוא דרוש לטיפול מתמטי מלא של מכניקת גלים.

פיתוח[עריכת קוד מקור | עריכה]

גל מונוכרומטי בודד, מכל סוג, פוגע בזווית θ במישורים מסודרים של נקודות סריג במרווח d אחד מהשני, כמוצג בשרטוט:

Bragg law.png

קיים הפרש באורך המסלול שעוברות שתי קרניים - הקרן שמוחזרת לאורך הקטע 'AC, והקרן המועברת, ואז מוחזרת לאורך הקטעים AB ו-BC. הפרש הדרכים:

(AB+BC) - (AC') \,

אם הפרש הדרכים שווה לכל מספר של אורכי גל, אזי שני הגלים הנפרדים יגיעו לנקודה באותה הפאזה, ולכן יעברו התאבכות בונה. מתמטית:

(AB+BC) - (AC') = n\lambda \,

בעזרת משפט פיתגורס ניתן להראות כי:

AB=\frac{d}{\sin\theta}\, וגם BC=\frac{d}{\sin\theta} וגם AC=\frac{2d}{\tan\theta}\,

כמו כן ניתן להראות:

AC'=AC\cdot\cos\theta=\frac{2d}{\tan\theta}\cos\theta\,

אם נאחד הכל, תוך שימוש בזהויות של פונקציות טריגונומטריות:

n\lambda=\frac{2d}{\sin\theta}-\frac{2d}{\tan\theta}\cos\theta=\frac{2d}{\sin\theta}(1-\cos^2\theta)=\frac{2d}{\sin\theta}\sin^2\theta

ואת הביטוי ניתן לפשט לקבלת חוק בראג:

n\lambda=2d\cdot\sin\theta \,

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • W.L. Bragg, "The Diffraction of Short Electromagnetic Waves by a Crystal", Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 17 (1914), 43–57.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]