브래그 법칙

브래그 법칙은 결정 구조를 분석하는 데 사용되는 물리학 법칙으로, 결정 내 원자층에 입사하는 X선, 중성자 또는 전자가 특정 각도에서 강하게 반사되는 현상을 설명한다. 이러한 반사는 입사파의 파장, 원자층 간의 거리, 그리고 입사각 사이의 관계를 나타내는 브래그 방정식에 의해 결정된다.

개요

1913년 윌리엄 헨리 브래그와 그의 아들 윌리엄 로렌스 브래그에 의해 발견되었으며, 이 업적으로 그들은 1915년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 브래그 법칙은 X선 회절 분석의 기본 원리로서, 다양한 결정성 물질의 원자 배열 구조를 밝히는 데 중요한 역할을 한다. 이 법칙은 X선뿐만 아니라 중성자, 전자 등 파동성을 띠는 입자에도 적용될 수 있다.

브래그 방정식

브래그 법칙은 다음과 같은 수학적 형태로 표현된다:

nλ = 2d sin θ

여기서:

• n은 회절 차수 (정수)
• λ는 입사파의 파장
• d는 결정 내 원자층 간의 간격
• θ는 입사파와 결정면 사이의 각도 (브래그 각)

브래그 방정식은 특정 파장의 입사파가 특정 각도에서 결정면에 입사할 때, 원자층 간의 간격에 의해 반사된 파들이 보강 간섭을 일으켜 강한 회절 신호를 나타낸다는 것을 의미한다.

응용

브래그 법칙은 다음과 같은 다양한 분야에서 응용된다:

• X선 회절 분석 (XRD): 결정성 물질의 구조를 분석하는 가장 기본적인 방법으로, 물질의 상을 식별하고, 격자 상수, 결정도 등을 측정하는 데 사용된다.
• 중성자 회절: 중성자의 파동성을 이용하여 물질의 자기적 구조나 가벼운 원소의 위치를 분석하는 데 사용된다.
• 전자 회절: 전자의 파동성을 이용하여 박막이나 표면의 구조를 분석하는 데 사용된다.
• 재료 과학: 신소재 개발, 재료의 특성 분석, 품질 관리 등에 활용된다.
• 광학: 브래그 반사경과 같이 특정 파장의 빛을 선택적으로 반사하는 광학 소자 개발에 사용된다.
• 생물학: 단백질 결정학에서 단백질 구조를 밝히는 데 사용된다.