X선 회절의 원리

X선 회절의 원리 

X선

X-ray는 "엑스레이, 뢴트겐 선(Rötgen ray)"이다.

​독일 물리학자 빌헬름 뢴트겐(Wilhelm Konrad Rötgen, 1845~1923)이 1895년에 발견한 것으로,  이 공로를 인정받아 1901년 최초의 노벨물리학상을 받았다. 

​그는 발견 당시 X-ray의 정체를 이해하지 못했기 때문에 대수학(代數學: algebra)에서 미지(未知)의 것을 X라 하는 걸 원용하여 그렇게 이름을 붙인 것이다.
뢴트겐이 X선 발견 후 실험 차원에서 그것으로 찍은 최초의 사진은 그의 아내인 안나 베르타(Anna Bertha)의 손이었다.

뼈만 나온 자신의 손 사진을 본 베르타는 이렇게 외쳤다고 한다. "I have seen my death!"

뢴트겐은 전 인류의 복지가 중요하다며 X선의 특허를 내지 않았으며, 노벨 상금도 자신의 대학에 기증했다.

​

Röntgen의 논문은 X-선에 관한 많은 특성을 서술하였다.

(1) X-선은 침투성이 강하고 가시광선이 통과할 수 없는 물질을 통과할 수 있다.

(2) X-선은 사람의 눈으로는 볼 수 없다

(3) X-선은 많은 형태의 물질을 형광을 띠게 하고 사진용 건판에 기록할 수 있다.

X-선이 선 “Ray”라고 명명된 이유는 광선과 같이 직진하는 특성때문이다.

시험목적
X선을 결정에 부딪히게 하면 그중 일부는 회절을 일으키고 그 회절각과 강도는 물질 구조상 고유한 것으로서 이 회절 X선을 이용하여 시료에 함유된 결정성 물질의종류와 양에 관계되는 정보를 알 수 있다. 이와 같이 결정성 물질의 구조에 관한 정보를 얻기 위한 분석방법이 X선 회절법이다.

​X선 회절의 원리
그림 1과 같이 임의의 결정이고 원자가 간격 d를 가지고 평행한 격자면 A, B, C …로 배열되어 있을 때 이 결정에 파장 λ인 X선을 입사각 θ로 조사하면, X선은 원자에 의해 모든 방향으로 산란된다. 산란된 X선의 행로차 P 'RP"이 입사 X선 파장의 정수배로 된 X선은 간섭효과에 의해 강해진다.

이 현상을 회절현상이라 하고, 이렇게하여 발생된 X선을 회절 X선이라 부른다.

회절현상이 발생하는 경우 입사 X선의 파장 λ 및 입사각 θ와 격자면 간격 d 사이에는 다음과 같은 관계가 성립된다.

이 관계식을 Bragg식이라 부르며, 회절 X선이 나타내는 입사각 θ가 정해지면 격자면 간격 d가 구해지게 된다.

보통,  X선회절법에 관해서는 입사 X선과 격자면이 이루는 각도 θ보다도 측정계의 기하학적인 배치를 잘 반영하는 각도 2θ(회절각이라 부르고 입사각의 2배를갖는다)가 사용되고 있다.
조사한 X선의 파장에 대한 2θ- d 대조표가 구해져 있어서, 이 표로부터 격자면 간격d를 알 수 있다.

분쇄한 시료를 사용한 분말 X선 회절법에는 각 입자의 배열이 λ로 존재하여 여러 가지 격자면 간격의 원자면이 나타난다.

입사 X선의 각도를 연속적으로 변화시키면서 회절 X선의 강도를 기록하면 강도가 다른 복수의 회절 peak로부터 형식(pattern )을 얻을 수 있다.

결정성 물질 원자와 나란한 방향, 즉 결정구조는 물질에 따라 상이하여 회절 형식(pattern )은 물질에 고유한 값으로 된다.

시험방법
분말 X선회절에 의한 물질의 동정(同定)은 회절 형식이 물질에 고유한 것이라는 것에 기초를 두고 있다.

미지시료의 회절 형식과 이미 회절 데이터를 알고 있는 물질의 회절 형식을 비교하여 전자 중에 후자의 회절 형식이 포함되어 있으면 시료에는 비교한 물질이함유되어 있다고 판정된다. 이러한 이유로 각종 물질의 X선 회절 데이터가 축적, 정리되어 있어야한다.