Što je difrakcija X-zraka?

Ovaj članak opisuje pojam poput rendgenske difrakcije. Ovo objašnjava fizičku osnovu ovog fenomena i njegovu primjenu.

Tehnologije za stvaranje novih materijala

Inovacija, nanotehnologija je trend modernog svijeta. Vijesti su pune izvješća o novim revolucionarnim materijalima. No, malo se ljudi pitaju kako znanstvenici zahtijevaju veliki istraživački aparat kako bi stvorili barem malo poboljšanja postojećih tehnologija. Jedan od temeljnih fenomena koji pomažu ljudima u ovom je difrakcija X-zraka.

Elektromagnetsko zračenje

Prvo, trebate objasniti što je elektromagnetsko zračenje. Svako pokretno napunjeno tijelo stvara elektromagnetsko polje oko sebe. Ta polja pervad sve oko, čak i vakuum dubokog prostora nije slobodan od njih. Ako se na takvom polju javljaju povremene perturbacije, koje se mogu prostirati u prostoru, nazivaju se elektromagnetskim zračenjem. Za svoj opis primjenjuju se koncepti kao što su valna duljina, frekvencija i njegova energija. Ono što je energija razumljivo je intuitivno, a valna duljina je udaljenost između identičnih faza (na primjer između dva susjedna maksimuma). Što je veća valna duljina (i odgovarajuće frekvencija), niža je njegova energija. Podsjetimo, ti pojmovi su neophodni za opisivanje difrakcije rendgenskih zraka kratko i prostrano.

Elektromagnetski spektar

Sva raznolikost elektromagnetskih zraka odgovara posebnoj skali. Ovisno o valnoj duljini, razlikovati (od najduljeg do najkraćeg):

• radio valovi;
• terahertički valovi;
• infracrveni valovi;
• vidljivi valovi;
• ultraljubičasti valovi;
• Rendgenski valovi;
• gama zračenje.

Dakle, zračenje od interesa za nas ima vrlo kratku valnu duljinu i najvišu energiju (stoga se ponekad zove tvrdo). Zbog toga se približavamo opisu difrakcije rendgenskih zraka.

Podrijetlo rendgenskih zraka

Što je veća energija zračenja, to je teže dobiti umjetno. Nakon rastave vatre, osoba prima puno IR zračenja, jer prenosi toplinu. No, kako bi se rentgenska difrakcija na prostornim strukturama pojavila, potrebno je mnogo posla. Dakle, ova vrsta elektromagnetskog zračenja se oslobađa ukoliko izbacite elektron iz ljuske atoma, koji je blizu jezgre. Elektroni koji se nalaze gore, obično ispunjavaju oblikovanu rupu, njihova prijelaza i daju rendgenskim fotonima. Također, uz snažnu inhibiciju nabijenih čestica koje imaju masu (na primjer, elektrone), nastaju visoke energetske zrake. Dakle, difrakcije rendgenskih zraka na kristalnoj rešetki je u pratnji izdataka dovoljno velik količinu energije.

Na industrijskoj razini, ovo zračenje dobiva se na sljedeći način:

1. Katoda emitira elektron visokom energijom.
2. Elektroni se sudaraju s anodnim materijalom.
3. Electron naglo inhibira (istodobno emitira rendgenske zrake).
4. U drugom slučaju, čestica usporavanja udari elektron od niske orbite atoma iz anodnog materijala, koji također stvara rendgensku snimku.

Također se mora razumjeti da, kao i svaki drugi elektromagnetsko zračenje, X-zraka ima svoj vlastiti spektar. Ovo se zračenje koristi dovoljno široko. Svatko zna da se slomljena kost ili formacija u plućima traži precizno uz pomoć X-zraka.

Struktura kristalne tvari

Sada dolazimo vrlo blizu onoj metodi rendgenske difrakcije. Da biste to učinili, objasnite kako je organizirano čvrsto tijelo. U znanosti, kruto tijelo se zove bilo koja tvar u kristalnom stanju. Drvo, glina ili staklo su čvrsti, ali im nedostaje glavna: periodična struktura. Ali kristali imaju nevjerojatnu imovinu. Upravo naziv tog fenomena sadrži njezinu bit. Za početak, moramo shvatiti da su atomi u kristalu čvrsto fiksirani. Veze između njih imaju određeni stupanj elastičnosti, ali su previše jake da bi atomi kretali unutar rešetke. Takve epizode su moguće, ali s vrlo jakim vanjskim efektom. Na primjer, ako je metal kristal do zavoja, nastaju u točki nedostatke različitih vrsta: na nekim mjestima atom ostavlja svoje mjesto, formiranje pozicije, u drugom - to je premještena u pogrešnom položaju, stvarajući uvod kvar. Na mjestu savijanja, kristal gubi svoju vitku kristalnu strukturu, postaje vrlo neispravan, labav. Stoga je isječak, koji je jednom bio nepovezan, bolje je ne koristiti jer je metal izgubio svojstva.

Ako su atomi čvrsto su fiksne, oni ne mogu biti postavljeni jedan nasuprot drugom nasumce kao u tekućinama. Oni moraju biti organizirani na takav način da minimiziraju energiju njihove interakcije. Dakle, atomi su postavljeni u rešetku. U svakoj rešetki postoji minimalni skup atoma, naročito smješten u prostoru, elementarna ćelija kristala. Ako se potpuno emitira, tj. Kombinirati rubove jedni s drugima, krećući se u bilo kojem smjeru, dobivamo cijeli kristal. Međutim, vrijedi spomenuti da je to model. Svaki pravi kristal ima nedostatke, a gotovo je nemoguće postići apsolutno točno emitiranje. Moderni elementi silikonske memorije su blizu savršenih kristala. Međutim, njihovo sticanje zahtijeva nevjerojatne količine energije i drugih resursa. U laboratoriju, znanstvenici su počinili strukture različitih vrsta, ali u pravilu, trošak njihovo stvaranje je prevelika. Ali pretpostavljamo da su svi kristali idealni: u svakom smjeru, isti atomi će se nalaziti na istoj udaljenosti jedni od drugih. Takva se struktura naziva kristalna rešetka.

Istraživanje kristalne strukture

Zahvaljujući tome, moguće je difrakcija rendgenskih zraka na kristalima. Periodična struktura kristala stvara u njima neke ravnine u kojima ima više atoma nego u drugim smjerovima. Ponekad se ti planovi daju simetrijem kristalne rešetke, ponekad međusobnim rasporedom atoma. Svaka avion ima svoju oznaku. Udaljenost između ravnina je vrlo mala: po redoslijedu nekoliko angstrema (opoziv, angstrom je 10^-10 metar ili 0,1 nanometar).

Međutim, zrakoplovi jednog pravca u bilo kojem pravom kristalu, čak i vrlo mali, su mnogi. Rendgenska difrakcija, kao metoda, koristi ovu činjenicu: svi valovi koji su promijenili smjer na ravninama istog smjera su sažeti, dajući dovoljno jasan signal na izlazu. Znanstvenici mogu razumjeti u kojim su smjerovima unutar kristala smješteni te ravnine i procijeniti unutarnju strukturu kristalne strukture. Međutim, samo ti podaci nisu dovoljni. Uz kut nagiba, potrebno je znati udaljenost između ravnina. Bez toga možete dobiti tisuće različitih modela strukture, ali ne znate točan odgovor. O tome kako znanstvenici uče o udaljenosti između ravnina, to će ići malo niže.

Fenomen difrakcije

Mi smo već dali fizičku osnovu onoga što je X-zrakama na prostorne rešetke kristala. Međutim, još nismo objasnili suštinu fenomena difrakcije. Dakle, difrakcija je oblaganje valovima (uključujući elektromagnetske) prepreka. Ovaj fenomen čini se da krši zakon linearne optike, ali to nije tako. Usko je povezan s utjecajima interferencije i valova, na primjer, fotona. Ako na putu svjetlosti postoji prepreka, onda zbog difrakcijskih fotona može "gledati" oko ugla. Koliko daleko smjer propagiranja svjetlosti od pravocrtnih odstupanja ovisi o veličini prepreke. Što je prepreka manje, to je manja duljina elektromagnetnog vala. Zato je difrakcije rendgenskih zraka na monokristala pomoću takvih kratkih valnih duljina udaljenost između ravnina je vrlo mala, optički fotoni jednostavno nisu „proći” između njih, a samo reflektira s površine.

Takav je koncept istinit, ali u suvremenoj znanosti smatra se suviše uskim. Da bismo proširili njegovu definiciju, kao i opću erudiciju, dajemo načine manifestiranja valne difrakcije.

1. Promjena u prostornoj strukturi valova. Na primjer, širenje kuta širenja valne zrake, odstupanje vala ili niz valova u nekom odabranom smjeru. Upravo je ova klasa pojave da valna lomljenja prepreka je zabrinuta.
2. Propadanje valova u spektar.
3. Promjena polarizacije valova.
4. Transformacija fazne strukture valova.

Fenomen difrakcija, zajedno s interferencije koja je odgovorna za činjenicu da je smjer svjetlosnog snopa na uskom jaz iza njega vidimo ne jedan, nego nekoliko laganih uspona. Što je maksimum dalje od sredine proreza, to je veći njen poredak. Također, kada je pripravak ispravan eksperiment sjena konvencionalnog šivaće igle (prirodno) tanku ima više traka, pri čemu je igla točno promatrani maksimum svjetlo, ne minimum.

Formula Wolf-Bragg

Već smo rekli da se konačni signal sastoji od svih rendgenskih fotona, koji se reflektiraju iz ravnina s istim nagibom unutar kristala. Ali za izračunavanje strukture točno omogućuje jedan važan odnos. Bez nje, rendgenska difrakcija bi bila beskorisna. Formula Wolf-Bragg izgleda ovako: 2dsinė = nlambda-. Ovdje d je udaljenost između ravnina s istim kutom nagiba, theta- je kut klizanja (Bragg kut), ili kut incidencije na ravnini, n redoslijed maksimuma difrakcije, lambda- je valna duljina. Budući da je unaprijed poznato koji se spektar X-zraka koristi za dobivanje podataka i pod kojim kutom ovo zračenje pada, ta formula omogućuje izračunavanje vrijednosti d. Malo više smo već rekli da je bez ovih informacija nemoguće precizno dobiti strukturu tvari.

Moderna primjena rendgenske difrakcije

Postavlja se pitanje: u kojim slučajevima je potrebno ovu analizu, znanstvenici su zapravo i nije bila istražena sve svjetske strukture, a možda i prije svega u proizvodnji novih tvari ne uključuju ljude, kakve rezultate hoće? Postoje četiri odgovora.

1. Da, naučili smo našu planet dovoljno dobro. Ali svake godine pronađu nove minerale. Ponekad se njihova struktura može pretpostaviti i bez rendgenskih zraka neće raditi.
2. Mnogi znanstvenici pokušavaju poboljšati svojstva postojećih materijala. Te tvari podvrgavaju se različitim oblicima obrade (tlak, temperatura, laseri, itd.). Ponekad se elementi dodaju ili uklanjaju iz njihove strukture. Da bi se utvrdilo koje su se unutarnje preuređivanja dogodile u ovom slučaju, difrakcija X-zraka na kristalima pomoći će.
3. Za neke primjene (na primjer, za aktivne medije lasera, memorijskih kartica, optičkih elemenata sustava nadzora), kristali moraju vrlo precizno zadovoljavati zahtjeve. Stoga se njihova struktura provjerava pomoću ove metode.
4. Rendgenska difrakcija je jedini način da se otkrije koliko je i koje su faze proizvedene sintezom u višekomponentnim sustavima. Kao primjer takvih sustava mogu poslužiti keramički elementi moderne tehnologije. Prisutnost neželjenih faza može dovesti do ozbiljnih posljedica.

Prostorno istraživanje

Mnogi ljudi pitaju: "Zašto nam je potrebna ogromna opservatorija na Zemljinoj orbiti, zašto nam treba rover, ako čovječanstvo još nije riješilo probleme siromaštva i rata?"

Svatko će imati svoje prednosti i nedostatke, ali očito je da čovječanstvo treba imati san.

Stoga, gledajući zvijezde, danas možemo sa sigurnošću reći: svakodnevno imamo više znanja o njima.

X-zrake iz procesa koji se pojavljuju u prostoru ne dosežu površinu našeg planeta, apsorbiraju ih atmosfera. Ali ovaj dio elektromagnetskog spektra nosi puno podataka o fenomenima s visokim energijama. Stoga, instrumenti koji studiraju rendgenske zrake moraju biti izvađeni iz Zemlje, u orbitu. Postojeće postaje trenutno istražuju sljedeće objekte:

• ostatci eksplozija supernove;
• središta galaksija;
• neutronske zvijezde;
• crne rupe;
• Sukobi masivnih objekata (galaksije, skupine galaksija).

Iznenađujuće, za različite projekte, pristup tim stanicama pruža se studentima, pa čak i školskim djecom. Proučavaju rendgenske zrake iz dubokog prostora: difrakcija, interferencija, spektar postaju predmetom njihovog interesa. I neki vrlo mladi korisnici ovih promatranih prostora čine otkrića. Mnogobrojni čitatelji mogu, naravno, tvrditi da imaju samo vremena za snimanje slika na velikim rezolucijama i vidjeti suptilne detalje. Naravno, važnost otkrića, u pravilu, razumije samo ozbiljni astronomi. Ali takvi slučajevi nadahnjuju mlade ljude da posvete svoj život istražujući vanjski prostor. I ovaj je cilj dostojan slijediti.

Tako su postignuća Wilhelma Konrad Roentgen otvorila pristup zvjezdanim spoznajama i sposobnosti osvajanja drugih planeta.