鉆石（圖片來源：ilovezuan.com）
看到漂亮的鉆石，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鉆石，戴在對方的手上，以表示自己的愛。其實(shí)鉆石就是晶體。晶體在我們生活中隨處可見，水凝固后形成的冰，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(zhì)才叫做晶體呢？
我們都知道，大部分物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，晶體就是原子按照一定的規(guī)則有序排列而成。打個比方，我們在學(xué)生時代都會站隊形，每一個人都相當(dāng)于是一個原子，老師要求我們前后左右對齊有序排列，那么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(xué)站得完全不規(guī)律，那就從整體看起來不規(guī)則了，這就不是一塊晶體了。每塊晶體都有一個最小的重復(fù)單元，比如這里的一個人，就是一個最小的重復(fù)單元。
研究我們的晶體有什么用呢？因?yàn)樗o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(jī)，當(dāng)我們按一下大火按鈕，打火機(jī)上的壓電陶瓷就產(chǎn)生比較高的電壓，形成活火花而點(diǎn)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(jié)晶糖和鹽。
我們研究晶體就是為了更好的為我們服務(wù)，當(dāng)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(zhì)。
要回答上述問題，我們首先得感謝倫琴先生，他發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的是勞厄先生，但是第一個用X射線來解析晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，因此布拉格父子獲得了1915年的諾貝爾獎，并創(chuàng)立了一個新的學(xué)科——X射線晶體結(jié)構(gòu)分析。
當(dāng)我們的X射線照射到我們的晶體，入射光被散射，出射光光程差等于波長的整數(shù)倍時，晶面的散射將加強(qiáng)，此時滿足布拉格方程，我們就會看到一個一個比較強(qiáng)的出射光。當(dāng)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(qiáng)度信息卻沒有。此外，人們更關(guān)心的是晶體電荷密度和性質(zhì)的關(guān)系，那么衍射的峰強(qiáng)和位置是否能夠聯(lián)系起來呢？
答案是肯定的，傅里葉變換給了我們這種可能。
因?yàn)榫w是由一個一個原胞周期排列而成，所以電荷密度也是一個周期函數(shù)，當(dāng)我們講電荷密度做傅里葉變換后，我們既可以得到角度的位置，也可以得到角度的光的強(qiáng)度。因此，只要得到了角度位置和峰強(qiáng)，做個反傅里葉變換就應(yīng)該得到我們的電荷密度了。
然而在實(shí)驗(yàn)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(dāng)我們將貓和老虎的相位交換以后，貓也能變成老虎。在我們解晶體結(jié)構(gòu)中相位同樣重要。所以現(xiàn)在的首要任務(wù)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(jié)構(gòu)（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(shí)驗(yàn)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，這些方法在這里就不做過多的闡述。在這里，我們就可以請出我們的主角Shelx了。
Shelx就是實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的步驟一般就是，收集衍射數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)交給軟件解析，最后得到晶體結(jié)構(gòu)，過程如圖：
解金屬Ge晶體結(jié)構(gòu)大致過程（圖片來源：專業(yè)課件）
在沒有Shelx之前，雖然有一些程序也是處理晶體結(jié)構(gòu)的程序，但是用起來都十分費(fèi)勁，解一個結(jié)構(gòu)時常要浪費(fèi)大把時間。但是George M. Sheldrick把直接法和Patterson方法程序化以后，我們就能更容易地得到晶體的微觀結(jié)構(gòu)，知道原子是如何周期排列的。這對我們研究晶體的性質(zhì)是至關(guān)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，這是由于他們在微觀上排布是不一樣的，這就導(dǎo)致了他們有不同的性質(zhì)。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(zhì)是很重要的。
石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)（圖片來源：ckcest.cn）
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