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1912년 X선 회절에서 브래그 법칙을 발견했다.

이 법칙은 결정구조를 확정하는 기본원리이다. 1915년 아버지인 윌리엄 브래그경과 함께 노벨 물리학상을 받았고 1941년에는 기사작위를 받았다.

브래그는 윌리엄 브래그의 장남이다. 외할아버지 토드 경(Sir Charles Todd)은 체신공사총재(postmaster general)이자 남오스트레일리아의 정부천문학자였다. 애들레이드의 세인트 피터 칼리지와 애들레이드대학교에서 차례로 공부한 그는 대부분의 소년들이 아직 중등학교에 다닐 나이에 수학에서 높은 명성을 얻었다.

1909년 케임브리지의 트리니티 칼리지에 들어가기 위해 영국으로 갔다. 물리학을 공부하기 시작했는데, 이전에 화학은 조금 배운 적이 있었지만 물리학은 공부한 적이 없었다. 1912년 여름 방학 동안 그의 아버지는, X선이 결정을 통과함으로써 회절될 수 있다고 주장했던 독일 물리학자인 막스 폰 라우에의 연구에 대한 최근의 책을 놓고 그와 토론했다. 라우에의 설명이 세부적으로는 정확하지 않다고 믿었던 젊은 브래그는 케임브리지로 돌아온 후 기발하고 독창적인 일련의 실험들을 수행했다.

이 실험들의 결과를 브래그 방정식으로 발표했는데, 이는 X선 파장과 결정 원자들의 거리가 알려졌을 때 결정에 의해 X선이 가장 효과적으로 회절되는 각을 말해준다(→ 브래그 법칙). 이 방정식은 X선 회절의 기본적인 것으로, 결정 내에서 가까이 위치한 원자들 때문에 원래의 경로에서 벗어난 X선의 특징적인 유형을 연구함으로써 결정구조를 분석하는 과정이다(결정학). 그는 또한 암염에서는 나트륨과 염소의 2가지 원소가 교대로 배열되어 있어서, 같은 원소의 원자가 절대로 맞닿지 않음을 보여 주었다.

그동안 그의 아버지는 X선의 파장을 정확히 측정하는 기구인 X선 분광계를 설계했다. 이 두 과학자들은 브래그 분광계를 써서 다이아몬드 원자를 포함한 많은 다른 원자 배열들을 결정하면서 방학을 보냈다.

1914년 브래그는 트리니티 칼리지의 자연과학부의 강사이자 특별연구원이 되었다. 그해말 브래그와 그의 아버지는 미국 과학 아카데미의 바너드 금메달을 공동으로 받았는데, 이는 이후에 있게 될 많은 명예와 상들 중에 첫번째 것이었다. 또 제1차 세계대전중이었던 1915~19년 브래그는 프랑스 주둔 영국 육군본부의 지도분과에서 음향거리 측정(sound ranging：적의 포소리로부터 적의 포가 위치해 있는 거리를 결정하는 일)에 관한 기술 고문으로 일했다.

그가 결정의 구조를 밝히기 위해 X선을 사용할 수 있음을 보여준 공로로 그의 아버지와 공동으로 노벨 물리학상을 받았던 1915년에도 그곳에 있었다. 전쟁 후 맨체스터의 빅토리아대학교에서 러더퍼드의 뒤를 이어 물리학교수가 되었고, 그곳에서 금속·합금·규산염을 연구하는 그의 첫 학파를 만들었다. 규산염에 대한 그의 연구는 화학적 난제들을 단순하고 우아한 구조의 체계로 변화시켰다.

1921년 의사의 딸인 앨리스 홉킨슨과 결혼했고 딸 둘과 아들 둘을 두었다. 그의 아내는 매력적이었으며, 내조를 잘했다.

1937~38년 국립물리연구소 소장이었으나 위원회 일을 견디기 힘들어했다. 이무렵에 그는 용무장부, 미결재 서류함, 긴급한 주의를 요하는 문제들의 목록이 과학활동에 치명적인 적이라는 것을 알게 되었다고 종종 말하곤 했다. 그래서 다시 한번 러더퍼드의 뒤를 잇기 위해 기꺼이 순수행정직을 떠났는데, 이번에는 케임브리지의 캐번디시좌(座) 실험물리학 교수직이었다.

이곳에서 그는 금속·합금·규산염과 단백질을 연구할 2번째 왕성한 연구학파를 만들었다. 그러나 그는 과학도들이 전인 교육을 받을 시간을 가지며 삶의 의미와 목적에 관해 무언가 이해하게 되는 일에도 깊은 관심을 가지고 있었다. 1954년 1월에 그는 1940년 이전의 그의 아버지처럼 런던 왕립연구소 소장이 되었다. 그가 도입한 몇 가지 성공적인 혁신들로는, 학교의 예산에 비해 너무 크거나 너무 비싼 장비들을 요하는 시범실습을 보여주면서 학생들을 위해 연중 계속되는 강연(매년 약 2만 명의 학생들이 참가함), 과학교사들을 위한 교육과정들, 과학교육을 받지 못한 공무원들을 위한 강연들이 있다.

강사로서도 인기있고 성공적이었던 브래그는 라디오와 텔레비전 출연요청도 많이 받았다. 많은 과학자들이 연구에 대한 관심을 잃을 나이에 그는 3번째 연구 팀을 만들었는데, 이 구성원들 중 몇 명은 복합유기결정체의 구조를 성공적으로 밝혀냈다. 1965년 과학 연구활동에서 물러났다.