鑽石（圖片來源：ilovezuan.com）
什麼是晶體
看到漂亮的鑽石，我相信每個人都有擁有它的想法，特別是男同胞們，在對自己心愛的女子求婚的時候，特別希望有一顆大大的鑽石，戴在對方的手上，以表示自己的愛。其實鑽石就是晶體。晶體在我們生活中隨處可見，水凝固後形成的冰，一粒食用鹽，甚至是我們炒菜用的鍋（金屬），這些都是晶體。
那怎樣的物質才叫做晶體呢？
我們都知道，大部分物質都是由原子構成的，晶體就是原子按照一定的規則有序排列而成。打個比方，我們在學生時代都會站隊形，每一個人都相當於是一個原子，老師要求我們前後左右對齊有序排列，那麼看起來就是整整齊齊的，這就是一塊漂亮的晶體；如果有些同學站得完全不規律，那就從整體看起來不規則了，這就不是一塊晶體了。每塊晶體都有一個最小的重複單元，比如這裡的一個人，就是一個最小的重複單元。
晶體的用途
研究我們的晶體有什麼用呢？因為它給我們的生活帶來了很多便利。晶體的作用在我們的生活中是處處可見的。比如我們煤氣灶上的打火機，當我們按一下大火按鈕，打火機上的壓電陶瓷就產生比較高的電壓，形成活火花而點燃煤氣。其中的壓電陶瓷就是晶體。我們的液晶電視，中的液晶也是一種晶體。早在中國古代，人們就結晶糖和鹽。
我們研究晶體就是為了更好的為我們服務，當然不同種類的晶體用途也不一樣，為了尋找具有特定用途的晶體，我們就需要研究每種晶體的性質。
如何解析晶體的結構
要回答上述問題，我們首先得感謝倫琴先生，他發現的X射線能夠幫助我們回答這個問題。要知道，原子是很小的，我們用肉眼是無法看到的，但是，用X射線卻能“看到“！
提出用X射線來“看”晶體結構的是勞厄先生，但是第一個用X射線來解析晶體結構的卻是布拉格先生。布拉格第一次用X射線衍射解析了金剛石和氯化鈉結構，因此布拉格父子獲得了1915年的諾貝爾獎，並創立了一個新的學科——X射線晶體結構分析。
當我們的X射線照射到我們的晶體，入射光被散射，出射光光程差等於波長的整數倍時，晶面的散射將加強，此時滿足布拉格方程，我們就會看到一個一個比較強的出射光。當然這個只是知道了哪個晶面在哪個角度會有一個峰，而這個峰的強度信息卻沒有。此外，人們更關心的是晶體電荷密度和性質的關係，那麼衍射的峰強和位置是否能夠聯繫起來呢？
答案是肯定的，傅里葉變換給了我們這種可能。
因為晶體是由一個一個原胞週期排列而成，所以電荷密度也是一個周期函數，當我們講電荷密度做傅里葉變換後，我們既可以得到角度的位置，也可以得到角度的光的強度。因此，只要得到了角度位置和峰強，做個反傅里葉變換就應該得到我們的電荷密度了。
然而在實驗上，我們卻會丟失相位信息。要知道，相位在圖像中是很重要的，可以看看圖四的例子，當我們將貓和老虎的相位交換以後，貓也能變成老虎。在我們解晶體結構中相位同樣重要。所以現在的首要任務就是如何去解決丟失的相位問題。
布拉格解析的金剛石晶體結構（圖片來源：oup.com）
X射線衍射圖（圖片來源：維基百科）
交換兩幅圖片的相位
實驗中相位的丟失不是沒有解決辦法的，比如Patterson方法，直接法等等，這些方法在這裡就不做過多的闡述。在這裡，我們就可以請出我們的主角Shelx了。
Shelx就是實現這些方法的一個程序，有了這個程序，解析晶體就變得容易多了。所以解晶體結構的步驟一般就是，收集衍射數據，把數據交給軟件解析，最後得到晶體結構，過程如圖：
解金屬Ge晶體結構大致過程（圖片來源：專業課件）
在沒有Shelx之前，雖然有一些程序也是處理晶體結構的程序，但是用起來都十分費勁，解一個結構時常要浪費大把時間。但是George M. Sheldrick把直接法和Patterson方法程序化以後，我們就能更容易地得到晶體的微觀結構，知道原子是如何週期排列的。這對我們研究晶體的性質是至關重要的。
舉個簡單的例子，我們知道石墨和金剛石都是由C元素組成的，同樣都是由C元素組成，石墨很軟，金剛石很硬，這是由於他們在微觀上排布是不一樣的，這就導致了他們有不同的性質。因此，知道一個晶體中原子的排列順序是對理解晶體的性質是很重要的。
石墨和金剛石的結構（圖片來源：ckcest.cn）
第一個shelx程序出現在1970年，安裝在劍橋大學的ICLTitan 計算機上。從開發以來，得到了廣大的科研工作者支持，也為學者們解決了很多的問題。據統計，shelx軟件的引用量已經接近7萬。當然現在解晶體結構的軟件已經不限於shelx了，一大批如Fullprof優秀的軟件逐漸出現在科研工作者視線裡。
總結
現在的很多研究都是基於晶體的，因此對晶體結構的解析顯得就格外重要。現在熱門的領域，如鋰離子電池、高溫超導，首先就是要知道樣品的晶體結構，有了晶體結構我們才能進一步研究材料的性質。
雖然Shelx不是第一個解晶體的軟件，不過它的出現，加快了科研工作者解晶體結構的速度，目前還是有大批科研工作者在使用。
總的來說，晶體學對我們的生活是很重要的，Shelx程序給科研工作者研究晶體性質帶來了很多便利，甚至間接也給我們帶來了更美好的生活。
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參考文獻
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[4] 樑敬魁，粉末衍射法測定晶體結構，科學出版社
[5] https://blog.oup.com/2013/08/100th-anniversary-first-crystal-structure-determinations-bragg/
出品 | 科普中國
製作 | 中科院物理所科學傳播協會
監製 | 中國科學院計算機網絡信息中心
編輯：可樂不加冰、Cloudiiink
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