00. XRD의 역사: 결정 구조를 밝힌 혁신적인 발견

XRD의 시작부터 현재까지 제가 알고 있는 최대한을 공유하고 기록하고자 합니다.

시작하겠습니다.

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X선 발견

 

1895년, 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen)는 인체의 연조직을 투과할 수 있는 강력한 전파 X-선(X-ray)를 발견하였습니다.

 

뢴트겐은 1896년 이 업적으로 노벨 물리학상을 수상하였고, 뢴트겐의 발견은 오늘날 방사선학의 기초를 마련했으며 의학적진단과 치료에 있어 필수적인 도구가 되었습니다.

 

 

관련 논문은 아래와 같습니다.

'On a New Kind of Rays'

[요약]

전기가 흐르는 진공관에서 발생하는 현상을 연구하던 도중, 검은 종이로 가시광선을 차단했음에도 불구하고 형광 스크린이 빛나는 것을 우연히 발견했습니다. 이 현상이 새로운 종류의 광선 때문이라 추측하였고, 아내의 손을 통과 시켜 손뼈의 사진을 찍기도 하였습니다. 여기서 발견한 사실은 X-선은 물체를 투과할 수 있으나 인간의 뼈, 금속과 같이 밀도가 높은 물질에 의해서는 차단될 수 있고 X-선은 사진 필름에 영상을 남길 수 있다는 것입니다. 

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X선 회절의 탄생

 

1912년, 물리학의 세계는 막스 폰 라우에(Max von Laue)가 결정을 통과하는 X-선이 회절 현상을 보임을 발견하면서 한 차례 큰 발전을 맞이했습니다. 이 발견은 결정체 내부의 원자 배열을 연구할 수 있는 새로운 방법을 제시했습니다.

 

라우에는 이 공로로 1914년 노벨 물리학상을 수상하였으며, 과학계에 큰 파장을 일으켰습니다.

 

관련 논문은 아래와 같습니다.

'Concerning the detection of X-ray interferences'

[요약]

당시 X-선의 성질에 대한 이해는 매우 제한적이었습니다. X-선이 파동을 특성을 가지는 것을 입증하는 것 자체가 과학계에는 주요 과제였습니다. 라우에는 위 논문에서 결정체를 X-선 경로에 두고 X-선이 결정을 통과한 후 패턴을 포토그래픽 플레이트에 기록하는 것을 성공했습니다. 기록된 X선 회절 패턴은 결정 구조 내에서 원자들 사이의 간격과 배열에 따라 다르게 나타나는 것을 보여주었고, 이를 통해 X-선이 파동의 특성을 가지며 결정 내의 원자들에 의해 어떻게 회절되는지 알 수 있게 되었습니다.

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브래그의 법칙(Bragg's law)과 구조 분석

 

1913년, 윌리엄 헨리 브래그(William Henry Bragg)와 그의 아들 윌리엄 로런스 브래그 (William Lawrence Bragg)는 브래그 법칙을 발표하며 XRD의 발전에 기여했습니다. 이 법칙은 X-선이 결정면에서 반사될 때 만족해야하는 조건을 설명하는 것으로, X-선 회절을 통해 결정 구조를 정밀하게 분석할 수 있는 기초를 마련하였습니다.

 

브래그 부자는 이 업적으로 1915년 노벨 물리학상을 공동 수상했습니다.

 

관련 논문은 아래와 같습니다.

'The Reflection of X-rays by Crystals'

[요약]

라우에의 X-선 회절 실험결과를 전해들은 브래그 부자는 X-선 회절 패턴이 원자가 일렬로 배열된 면에 X-선이 부딪쳐 반사돼 생긴 간섭무늬일 것으로 추정했습니다. 즉, X-선 회절 패턴을 잘 분석하면 역으로 결정을 이루는 원자의 구조를 밝힐 수 있다고 판단하고 결정 내부의 원자 배치를 파악할 수 있는 방법을 개발하고자 했습니다. 다양한 종류의 결정에 X선을 쏘아 회절 패턴을 관측했으며, 실험결과 특정 각도에서만 X-선이 강하게 반사되는 것을 확인했습니다. 이 결과를 바탕으로 X-선이 결정 평면에 반사될 때, 반사되는 X-선의 강도가 가장 강할 조건을 설명하는 브래그 법칙을 도입했습니다.

nλ = 2d sinθ

(n: 반사 차수, λ: X-선의 파장, d: 면간 거리, θ: 입사 및 반사 각도)

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다음 포스팅은 XRD의 원리를 설명하기 위해 X-선이 어떻게 생성되고 측정되는지 알아보는 시간을 가지도록 하겠습니다.

감사합니다.