Šiame straipsnyje aprašomas toks dalykas kaip rentgeno spindulių difrakcija. Fizinis šio reiškinio pagrindas ir jo pritaikymas paaiškinami čia.
Naujų medžiagų kūrimo technologijos
Inovacijos, nanotechnologijos yra šiuolaikinio pasaulio tendencija. Naujienose gausu pranešimų apie naujas revoliucines medžiagas. Tačiau mažai kas susimąsto, kokio didžiulio tyrimų aparato reikia mokslininkams, kad sukurtų bent nedidelį esamų technologijų patobulinimą. Vienas iš pagrindinių reiškinių, padedančių žmonėms tai padaryti, yra rentgeno spindulių difrakcija.
Elektromagnetinė spinduliuotė
Pirmiausia turite paaiškinti, kas yra elektromagnetinė spinduliuotė. Kiekvienas judantis įkrautas kūnas aplink save sukuria elektromagnetinį lauką. Šie laukai persmelkia viską aplink, net gilios erdvės vakuumas nuo jų nėra laisvas. Jeigu tokiame lauke atsiranda periodinių perturbacijų, kurios gali sklisti erdvėje, jos vadinamos elektromagnetine spinduliuote. Jai apibūdinti naudojamos tokios sąvokos kaip bangos ilgis, dažnis ir jo energija. Kas yra energija, yra intuityvi, o bangos ilgis yra atstumas tarpidentiškos fazės (pavyzdžiui, tarp dviejų gretimų maksimumų). Kuo didesnis bangos ilgis (ir atitinkamai dažnis), tuo mažesnė jo energija. Prisiminkite, kad šios sąvokos būtinos norint glaustai ir glaustai apibūdinti, kas yra rentgeno spindulių difrakcija.
Elektromagnetinis spektras
Visi įvairūs elektromagnetiniai spinduliai telpa specialioje skalėje. Priklausomai nuo bangos ilgio, jie išskiria (nuo ilgiausio iki trumpiausio):
- radijo bangos;
- terahercinės bangos;
- infraraudonosios bangos;
- matomos bangos;
- ultravioletinės bangos;
- Rentgeno bangos;
- gama spinduliuotė.
Taigi mus dominanti spinduliuotė turi labai trumpą bangos ilgį ir didžiausią energiją (todėl ji kartais vadinama kietąja). Todėl artėjame prie to, kad apibūdintume, kas yra rentgeno spindulių difrakcija.
Rentgeno spindulių kilmė
Kuo didesnė spinduliuotės energija, tuo sunkiau ją gauti dirbtinai. Sukūręs ugnį žmogus gauna daug infraraudonųjų spindulių, nes būtent jis perduoda šilumą. Tačiau norint, kad rentgeno spinduliai pasiskirstytų erdvinėmis struktūromis, reikia įdėti daug pastangų. Taigi, tokia elektromagnetinė spinduliuotė išsiskiria, kai elektronas išmušamas iš atomo apvalkalo, kuris yra arti branduolio. Viršuje esantys elektronai linkę užpildyti susidariusią skylę, jų perėjimus ir duoti rentgeno fotonus. Taip pat staigiai lėtėjant įkrautoms dalelėms, turinčioms masę (pavyzdžiui,elektronų), susidaro šie didelės energijos pluoštai. Taigi rentgeno spindulių difrakciją kristalinėje gardelėje lydi gana didelis energijos kiekis.
Pramoniniu mastu ši spinduliuotė gaunama taip:
- Katodas skleidžia didelės energijos elektroną.
- Elektronas susiduria su anodo medžiaga.
- Elektronas smarkiai sulėtėja (skleisdamas rentgeno spindulius).
- Kitu atveju lėtėjanti dalelė iš anodo medžiagos išmuša elektroną iš žemos atomo orbitos, o tai taip pat generuoja rentgeno spindulius.
Taip pat būtina suprasti, kad, kaip ir bet kuri kita elektromagnetinė spinduliuotė, rentgeno spinduliai turi savo spektrą. Pati ši spinduliuotė naudojama gana plačiai. Visi žino, kad lūžusio kaulo ar masės plaučiuose ieškoma rentgeno spindulių pagalba.
Kristalinės medžiagos struktūra
Dabar priartėjome prie to, kas yra rentgeno spindulių difrakcijos metodas. Norėdami tai padaryti, būtina paaiškinti, kaip yra išdėstytas tvirtas kūnas. Moksle kietu kūnu vadinama bet kokia kristalinės būsenos medžiaga. Mediena, molis ar stiklas yra tvirti, tačiau jiems trūksta pagrindinio dalyko: periodiškos struktūros. Tačiau kristalai turi šią nuostabią savybę. Pačiame šio reiškinio pavadinime yra jo esmė. Pirmiausia turite suprasti, kad kristale esantys atomai yra tvirtai pritvirtinti. Ryšiai tarp jų turi tam tikrą elastingumo laipsnį, tačiau jie yra per stiprūs, kad atomai galėtų judėti viduje.grotelės. Tokie epizodai galimi, bet su labai stipria išorine įtaka. Pavyzdžiui, sulenkus metalo kristalą, jame susidaro įvairaus tipo taškiniai defektai: vienose vietose atomas palieka savo vietą, suformuodamas laisvą vietą, kitur pasislenka į netinkamas pozicijas, suformuodamas intersticinį defektą. Posūkio vietoje kristalas praranda savo ploną kristalinę struktūrą, labai sugenda, atsipalaiduoja. Todėl geriau nenaudoti sąvaržėlės, kuri vieną kartą buvo išlenkta, nes metalas prarado savo savybes.
Jei atomai fiksuoti standžiai, jų nebegalima atsitiktinai išsidėstyti vienas kito atžvilgiu, kaip skysčiuose. Jie turi organizuoti save taip, kad jų sąveikos energija būtų kuo mažesnė. Taigi atomai išsirikiuoja į gardelę. Kiekvienoje gardelėje yra minimalus atomų rinkinys, ypatingu būdu išsidėstęs erdvėje – tai elementarioji kristalo ląstelė. Jei transliuosime jį visiškai, tai yra, sujungsime kraštus vienas su kitu, pasislinkdami bet kuria kryptimi, gausime visą kristalą. Tačiau verta prisiminti, kad tai yra modelis. Bet kuris tikras kristalas turi trūkumų, ir beveik neįmanoma pasiekti visiškai tikslaus vertimo. Šiuolaikinės silicio atminties ląstelės yra artimos idealiems kristalams. Tačiau norint juos gauti, reikia neįtikėtinai daug energijos ir kitų išteklių. Laboratorijoje mokslininkai gauna įvairių rūšių tobulas konstrukcijas, tačiau paprastai jų sukūrimo kaštai yra per dideli. Tačiau manysime, kad visi kristalai yra idealūs: bet kuriuosekryptimi, tie patys atomai bus išdėstyti vienodais atstumais vienas nuo kito. Ši struktūra vadinama kristaline gardele.
Kristolinės struktūros tyrimas
Dėl šio fakto yra įmanoma rentgeno spindulių difrakcija ant kristalų. Periodinė kristalų struktūra juose sukuria tam tikras plokštumas, kuriose yra daugiau atomų nei kitomis kryptimis. Kartais šias plokštumas nustato kristalinės gardelės simetrija, kartais – abipusis atomų išsidėstymas. Kiekvienai plokštumai priskiriamas atskiras pavadinimas. Atstumai tarp plokštumų yra labai maži: kelių angstremų eilės tvarka (prisiminkime, angstromas yra 10-10 metro arba 0,1 nanometro).
Tačiau bet kuriame tikrame kristale, net ir labai mažame, yra daug tos pačios krypties plokštumų. Rentgeno spindulių difrakcija kaip metodas išnaudoja šį faktą: visos bangos, pakeitusios kryptį tos pačios krypties plokštumose, yra sumuojamos, o išėjime gaunamas gana aiškus signalas. Taigi mokslininkai gali suprasti, kokiomis kryptimis šios plokštumos yra kristalo viduje, ir įvertinti vidinę kristalo struktūros struktūrą. Tačiau vien šių duomenų nepakanka. Be pasvirimo kampo, reikia žinoti ir atstumą tarp plokštumų. Be to galite gauti tūkstančius skirtingų konstrukcijos modelių, bet nežinote tikslaus atsakymo. Kaip mokslininkai sužino apie atstumą tarp plokštumų, bus aptarta toliau.
Difrakcijos reiškinys
Mes jau pateikėme fizinį pagrindimą, kas yra rentgeno spindulių difrakcija ant kristalų erdvinės gardelės. Tačiau esmės dar nepaaiškinamedifrakcijos reiškiniai. Taigi difrakcija yra kliūčių apvalinimas bangomis (įskaitant elektromagnetines). Atrodo, kad šis reiškinys pažeidžia tiesinės optikos dėsnį, bet taip nėra. Tai glaudžiai susijusi su, pavyzdžiui, fotonų trukdžiais ir bangų savybėmis. Jei šviesos kelyje yra kliūtis, dėl difrakcijos fotonai gali „žiūrėti“už kampo. Kaip toli šviesos kryptis nukeliauja nuo tiesios linijos, priklauso nuo kliūties dydžio. Kuo mažesnė kliūtis, tuo trumpesnis turėtų būti elektromagnetinės bangos ilgis. Štai kodėl rentgeno spindulių difrakcija ant pavienių kristalų atliekama naudojant tokias trumpas bangas: atstumas tarp plokštumų labai mažas, optiniai fotonai tiesiog „nerops“tarp jų, o tik atsispindės nuo paviršiaus.
Tokia sąvoka yra teisinga, tačiau šiuolaikiniame moksle ji laikoma per siaura. Norėdami išplėsti jo apibrėžimą, taip pat bendrą erudiciją, pateikiame bangų difrakcijos pasireiškimo metodus.
- Bangų erdvinės struktūros keitimas. Pavyzdžiui, bangos pluošto sklidimo kampo išplėtimas, bangos arba bangų serijos nukreipimas tam tikra pageidaujama kryptimi. Būtent šiai reiškinių klasei priklauso bangų lenkimas aplink kliūtis.
- Bangų skaidymas į spektrą.
- Bangos poliarizacijos pokytis.
- Bangų fazinės struktūros transformacija.
Difrakcijos reiškinys kartu su trukdžiais lemia tai, kad kai šviesos pluoštas nukreipiamas į siaurą plyšį už jo, matome ne vieną, o keletąšviesos maksimumai. Kuo toliau nuo lizdo vidurio yra maksimumas, tuo aukštesnė jo tvarka. Be to, tinkamai nustačius eksperimentą, šešėlis nuo paprastos siuvimo adatos (žinoma, plonos) padalijamas į kelias juosteles, o šviesos maksimumas stebimas tiksliai už adatos, o ne minimumas.
Wulf-Bragg formulė
Aukščiau jau minėjome, kad galutinis signalas yra visų rentgeno fotonų, atsispindėjusių iš vienodo pokrypio kristalo viduje plokštumų, suma. Tačiau vienas svarbus ryšys leidžia tiksliai apskaičiuoti struktūrą. Be jo rentgeno spindulių difrakcija būtų nenaudinga. Wulf-Bragg formulė atrodo taip: 2dsinƟ=nλ. Čia d yra atstumas tarp plokštumų, turinčių tą patį polinkio kampą, θ yra žvilgsnio kampas (Bragg kampas) arba kritimo į plokštumą kampas, n yra difrakcijos maksimumo tvarka, λ yra bangos ilgis. Kadangi iš anksto žinoma, koks rentgeno spektras naudojamas duomenims gauti ir kokiu kampu ši spinduliuotė krenta, ši formulė leidžia apskaičiuoti d reikšmę. Jau sakėme šiek tiek aukščiau, kad be šios informacijos neįmanoma tiksliai nustatyti medžiagos struktūros.
Šiuolaikinis rentgeno spindulių difrakcijos taikymas
Kyla klausimas: kokiais atvejais reikalinga ši analizė, ar mokslininkai dar nėra viską ištyrę struktūros pasaulyje ir ar žmonės, gaudami iš esmės naujas medžiagas, nenumano, koks rezultatas jų laukia ? Yra keturi atsakymai.
- Taip, mes gana gerai pažinome savo planetą. Tačiau kiekvienais metais randama naujų mineralų. Kartais jų struktūra yra lygiatspėti be rentgeno nepavyks.
- Daugelis mokslininkų bando pagerinti jau esamų medžiagų savybes. Šios medžiagos yra apdorojamos įvairiais būdais (slėgiu, temperatūra, lazeriais ir kt.). Kartais elementai pridedami prie jų struktūros arba pašalinami iš jų. Rentgeno spindulių difrakcija ant kristalų padės suprasti, kokie vidiniai persitvarkymai įvyko šiuo atveju.
- Kai kurioms programoms (pvz., aktyviajai laikmenai, lazeriams, atminties kortelėms, stebėjimo sistemų optiniams elementams) kristalai turi būti labai tiksliai suderinti. Todėl jų struktūra tikrinama šiuo metodu.
- Rentgeno spindulių difrakcija yra vienintelis būdas sužinoti, kiek ir kokių fazių buvo gauta sintezės metu daugiakomponentėse sistemose. Tokių sistemų pavyzdžiu gali būti šiuolaikinių technologijų keraminiai elementai. Nepageidaujamų fazių buvimas gali sukelti rimtų pasekmių.
Kosmoso tyrinėjimai
Daugelis žmonių klausia: "Kam mums reikia milžiniškų observatorijų Žemės orbitoje, kam mums reikia roverio, jei žmonija dar neišsprendė skurdo ir karo problemų?"
Kiekvienas turi savų priežasčių už ir prieš, bet aišku, kad žmonija turi turėti svajonę.
Todėl, žiūrėdami į žvaigždes, šiandien galime drąsiai teigti: kasdien apie jas žinome vis daugiau.
Kosmose vykstančių procesų rentgeno spinduliai mūsų planetos paviršiaus nepasiekia, juos sugeria atmosfera. Bet ši dalisElektromagnetinis spektras neša daug duomenų apie didelės energijos reiškinius. Todėl prietaisai, tiriantys rentgeno spindulius, turi būti išnešti iš Žemės, į orbitą. Šiuo metu esamos stotys tiria šiuos objektus:
- supernovos sprogimų likučiai;
- galaktikų centrai;
- neutroninės žvaigždės;
- juodosios skylės;
- masyvių objektų (galaktikų, galaktikų grupių) susidūrimai.
Nuostabu, kad pagal įvairius projektus prieiga prie šių stočių suteikiama studentams ir net moksleiviams. Jie tyrinėja rentgeno spindulius, sklindančius iš gilios erdvės: difrakcija, trukdžiai, spektras tampa jų domėjimosi objektu. Ir kai kurie labai jauni šių kosminių observatorijų naudotojai daro atradimus. Kruopštus skaitytojas, žinoma, gali prieštarauti, kad tiesiog turi laiko pažvelgti į didelės raiškos nuotraukas ir pastebėti subtilias detales. Ir, žinoma, atradimų svarbą, kaip taisyklė, supranta tik rimti astronomai. Tačiau tokie atvejai įkvepia jaunus žmones pašvęsti savo gyvenimą kosmoso tyrinėjimams. Ir šio tikslo verta siekti.
Taigi, Wilhelmo Conrado Rentgeno pasiekimai atvėrė prieigą prie žvaigždžių žinių ir sugebėjimo užkariauti kitas planetas.
