2-2. X선 회절 — 결정 구조를 들여다보는 방법

보이지 않는 것을 어떻게 "볼" 수 있을까?

1895년, 독일의 물리학자 빌헬름 뢴트겐(Wilhelm Röntgen)이 우연히 발견한 X선은 세상을 놀라게 했다. 뼈가 사진에 찍힌 것이다! 뢴트겐은 아내의 손을 X선으로 촬영했고, 살은 투과하고 뼈와 반지만 남은 그 유령 같은 사진은 즉시 세계적 화제가 되었다.

하지만 그로부터 17년 후, X선은 뼈를 찍는 것보다 훨씬 더 놀라운 일을 해냈다. 원자의 배열을 "사진 찍는" 데 성공한 것이다.

앞 절(2-1)에서 우리는 결정이 원자의 규칙적 배열이라는 것을 배웠다. 그리고 한 가지 문제를 남겨두었다: 원자 사이의 간격은 약 $10^{-10}$ m(0.1 nm)로, 가시광선의 파장(400~700 nm)보다 수천 배나 작다. 아무리 좋은 광학 현미경으로도 원자 하나하나는 보이지 않는다. 그렇다면 과학자들은 결정 내부의 원자 배열을 어떻게 알아낸 것일까?

이 수수께끼의 열쇠가 바로 X선 회절(X-ray diffraction)이다.

핵심 질문: 눈에 보이지 않는 원자의 배열을, 어떻게 간접적으로 "볼" 수 있을까?

파동이 장애물을 만났을 때 — 회절과 간섭의 복습

X선 회절을 이해하려면, 먼저 파동의 두 가지 핵심 성질을 떠올려야 한다. 이것은 제3권(전자기학)에서 이미 만났던 내용이다.