重要公告 (Announcement)

Monday, September 21, 2026

布拉格定律與結構因子互動模型

CT5812701 · Case Files #5–#6 · Where the peaks are, and which ones survive
Bragg's Law & Structure Factor布拉格定律與結構因子
Two linked tools: where a peak can appear, and whether it actually does. 兩個相連的工具:峰可以出現在哪裡,以及它究竟會不會出現。
Drag the incident beam to change θ · or use the sliders 拖曳入射光束改變 θ,或使用下方滑桿
drag the beam · 拖曳光束
λ Wavelength 波長0.15418 nm
d Plane spacing 面間距0.3035 nm
θ Bragg angle 布拉格角14.71°
2θ (as plotted 圖譜橫軸)29.42°
2d sin θ0.15408 nm
λ0.15418 nm
Path difference 路徑差
Δ / λ
1.00
In phase — n = 1 同相,產生建設性干涉
Superposition 波的疊加
The two reflected waves and their sum. They reinforce only when the path difference is a whole number of wavelengths. 兩束反射波與其合成波:唯有路徑差為整數個波長時才會互相加強。
Where the peaks appear 峰出現的位置
Click the chart to jump to a peak. Peak positions are exact; heights are schematic.  點擊圖表可跳到該峰。峰位為精確計算,峰高僅為示意。
Watch the convention 注意定義: in Bragg's law θ is measured from the lattice plane, not from the normal as in optics — so the angle plotted on a diffractogram is 2θ, the angle between the incident and the diffracted beam. 布拉格定律中的 θ 是由晶面量起,而非光學慣用的法線 —— 因此繞射圖譜橫軸的 2θ,是入射線與繞射線之間的夾角。
Why λ must be small 為何波長必須夠短: sin θ ≤ 1 forces λ ≤ 2d. With d ≈ 0.3 nm, visible light (λ ≈ 500 nm) can never diffract — only X-rays are the right size. sin θ ≤ 1 迫使 λ ≤ 2d;當 d ≈ 0.3 nm 時, 可見光(λ ≈ 500 nm)永遠無法產生繞射,只有 X 光的尺寸剛好。
Bragg's law says a peak may appear. The structure factor decides whether it does. 布拉格定律說峰「可以」出現;結構因子決定它「是否真的」出現。
F(hkl) = Σ fn e2πi(hun+kvn+lwn) — every atom in the cell, added as a vector 晶胞內每顆原子,以向量相加
The arrows are chained tip-to-tail. The red resultant is F(hkl); when they close back on the origin, F = 0 and the reflection is extinct. 各原子向量首尾相接,紅色合向量即為 F(hkl); 當向量繞回原點時 F = 0,該反射消光
Structure 結構
h k l Reflection 反射(1 1 1)
a Lattice parameter 晶格常數0.3615 nm
λ Wavelength 波長0.15418 nm
F(hkl)116.0
Σ f (maximum 上限)116
|F| / Σf
Amplitude 振幅比
1.00
Allowed 容許反射
Extinction rule 消光規則
The resulting pattern 由此產生的圖譜
Navy peaks are allowed; red dashed ticks mark reflections that Bragg's law permits but the structure factor wipes out. Click any marker to load it above. Intensities use I ∝ |F|²·p·LP.  深藍為容許反射;紅色虛線標示布拉格定律容許、但被結構因子抹除的反射。點擊任一標記可載入上方分析。 強度採用 I ∝ |F|²·p·LP 計算。
Two kinds of "extinction" 兩種「消光」: this tab shows systematic extinction — F(hkl) = 0 because the atoms inside the cell cancel one another. That is not the primary extinction of specimen preparation, which merely weakens a peak that does exist. 本頁展示的是系統性消光:因晶胞內原子互相抵消而 F(hkl) = 0; 這與試樣製備中的一次消光不同,後者只是削弱一個確實存在的峰。
Same geometry, different answer 同樣幾何、不同答案: compare BCC with CsCl. Both have an atom at the body centre, but in CsCl the two atoms are different elements, so the odd reflections no longer cancel and survive as weak superlattice lines. 比較 BCCCsCl:兩者體心都有一顆原子,但 CsCl 的兩種原子不同, 奇數反射不再相消,而以微弱的超晶格譜線存在。
AEML · Advanced Engineering Materials Laboratory, NTUST

The 14 Bravais Lattices

CT5812701 · Crystal Structure 晶體結構
The 14 Bravais Lattices十四種布拉維格子
Drag to rotate · scroll to zoom · double-click to reset 拖曳旋轉.滾輪縮放.雙擊歸位
cP
drag · scroll · double-click
cPPrimitive
Simple cubic
簡單立方
System 晶系
Cubic 立方
Edges 邊長
a = b = c
Angles 夾角
α = β = γ = 90°
Examples 實例
α-Po
Lattice points per cell 每晶胞晶格點
8 × 1/8
1
7 crystal systems · 14 lattices 七大晶系.十四種格子
Why only 14? Seven crystal systems × four centring types (P, C, I, F) would suggest 28 lattices, but most combinations are redundant — they can be redrawn as a smaller cell of another system (a C-centred cubic cell, for example, is just a smaller tetragonal cell). Only 14 distinct lattices survive.
為何只有 14 種?七大晶系 × 四種心化方式 (P, C, I, F) 看似有 28 種,但多數組合是重複的 —— 它們可改畫成另一晶系的較小晶胞 (例如底心立方其實就是較小的正方晶胞),因此只剩下 14 種相異的格子。
AEML · Advanced Engineering Materials Laboratory, NTUST

七大晶系 The Seven Crystal Systems

七大晶系 The Seven Crystal Systems

拖曳可旋轉、滾輪可縮放。七個晶胞體積相同,只有形狀不同。

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a 軸 b 軸 c 軸 非 90° 夾角 90° 夾角 六角柱輔助線

六角柱輔助線只在六方晶系出現:三個六方晶胞可以組成一個完整的六角柱。

1. 立方 Cubic

highest symmetry 對稱性最高

邊長a = b = c
夾角α = β = γ = 90°
自由度1 個獨立參數

模型晶格常數 MODEL VALUES

a : b : c2.000 : 2.000 : 2.000
α, β, γ90° , 90° , 90°

七個晶胞已正規化為相同體積,因此螢幕上的差異純粹來自形狀,與大小無關。

真實材料 REAL EXAMPLE

NaCl 岩鹽 NaCl

a = b = c = 5.640 Å

α = β = γ = 90°

銅 Cu:a = 3.615 Å

常見材料 EXAMPLES

NaCl, Cu, Al, alpha-Fe, diamond

2. 四方 Tetragonal

a cube stretched along one axis 立方體沿單軸拉長

邊長a = b ≠ c
夾角α = β = γ = 90°
自由度2 個獨立參數

模型晶格常數 MODEL VALUES

a : b : c1.694 : 1.694 : 2.789
α, β, γ90° , 90° , 90°

七個晶胞已正規化為相同體積,因此螢幕上的差異純粹來自形狀,與大小無關。

真實材料 REAL EXAMPLE

金紅石 rutile TiO₂

a = b = 4.594 Å, c = 2.959 Å

α = β = γ = 90°

c/a = 0.644,晶胞沿 c 軸被壓短

常見材料 EXAMPLES

TiO2 (rutile), beta-Sn, BaTiO3

3. 正交(斜方) Orthorhombic

a rectangular box 長方體

邊長a ≠ b ≠ c
夾角α = β = γ = 90°
自由度3 個獨立參數

模型晶格常數 MODEL VALUES

a : b : c1.443 : 1.990 : 2.786
α, β, γ90° , 90° , 90°

七個晶胞已正規化為相同體積,因此螢幕上的差異純粹來自形狀,與大小無關。

真實材料 REAL EXAMPLE

雪明碳鐵 cementite Fe₃C

a = 5.09 Å, b = 6.74 Å, c = 4.52 Å

α = β = γ = 90°

鋼中最重要的析出相,三個邊長皆不等

常見材料 EXAMPLES

alpha-S, aragonite CaCO3, Fe3C (cementite)

4. 六方 Hexagonal

three cells build the familiar hexagonal prism 三個晶胞組成六角柱

邊長a = b ≠ c
夾角α = β = 90°, γ = 120°
自由度2 個獨立參數

模型晶格常數 MODEL VALUES

a : b : c1.800 : 1.800 : 2.850
α, β, γ90° , 90° , 120°

七個晶胞已正規化為相同體積,因此螢幕上的差異純粹來自形狀,與大小無關。

真實材料 REAL EXAMPLE

鎂 magnesium Mg

a = b = 3.209 Å, c = 5.211 Å

α = β = 90°, γ = 120°

c/a = 1.624,略低於理想值 1.633

常見材料 EXAMPLES

Mg, Zn, alpha-Ti, graphite, ZnO

5. 菱形(三角) Rhombohedral (Trigonal)

a cube squashed along its body diagonal 立方體沿體對角線壓扁

邊長a = b = c
夾角α = β = γ ≠ 90°
自由度2 個獨立參數

模型晶格常數 MODEL VALUES

a : b : c2.088 : 2.088 : 2.088
α, β, γ72° , 72° , 72°

七個晶胞已正規化為相同體積,因此螢幕上的差異純粹來自形狀,與大小無關。

真實材料 REAL EXAMPLE

方解石 calcite CaCO₃

a = b = c = 6.36 Å

α = β = γ = 46.08°

若改用六方座標描述:a = 4.99 Å, c = 17.06 Å

常見材料 EXAMPLES

calcite CaCO3, Al2O3 (corundum), Bi, Hg

6. 單斜 Monoclinic

one axis leans over 只有一個軸傾斜

邊長a ≠ b ≠ c
夾角α = γ = 90° ≠ β
自由度4 個獨立參數

模型晶格常數 MODEL VALUES

a : b : c1.598 : 1.997 : 2.596
α, β, γ90° , 105° , 90°

七個晶胞已正規化為相同體積,因此螢幕上的差異純粹來自形狀,與大小無關。

真實材料 REAL EXAMPLE

石膏 gypsum CaSO₄·2H₂O

a = 5.679 Å, b = 15.202 Å, c = 6.522 Å

α = γ = 90°, β = 118.43°

水泥中用來控制凝結時間的關鍵成分

常見材料 EXAMPLES

gypsum CaSO4.2H2O, beta-S, monoclinic ZrO2

7. 三斜 Triclinic

lowest symmetry, most anisotropic 對稱性最低、異向性最強

邊長a ≠ b ≠ c
夾角α ≠ β ≠ γ ≠ 90°
自由度6 個獨立參數

模型晶格常數 MODEL VALUES

a : b : c1.684 : 2.105 : 2.736
α, β, γ78° , 105° , 66°

七個晶胞已正規化為相同體積,因此螢幕上的差異純粹來自形狀,與大小無關。

真實材料 REAL EXAMPLE

膽礬 chalcanthite CuSO₄·5H₂O

a = 6.11 Å, b = 10.673 Å, c = 5.95 Å

α = 97.58°, β = 107.17°, γ = 77.55°

六個晶格參數全部互不相同,對稱性最低

常見材料 EXAMPLES

CuSO4.5H2O, microcline feldspar, kaolinite

三個夾角的定義:α 為 b 與 c 的夾角、β 為 a 與 c 的夾角、γ 為 a 與 b 的夾角。 晶系只規範晶胞的幾何形狀,不規範原子放在哪裡 — 所以 SC、BCC、FCC 三種不同的晶體結構,全部屬於同一個立方晶系。

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