Ten artykuł zawiera opis czegoś takiego jak dyfrakcja rentgenowska. Fizyczne podstawy tego zjawiska i jego zastosowania są wyjaśnione tutaj.
Technologie tworzenia nowych materiałów
Innowacje, nanotechnologia to trend współczesnego świata. Wiadomości są pełne doniesień o nowych rewolucyjnych materiałach. Ale niewiele osób myśli o tym, jakiej ogromnej aparatury badawczej potrzebują naukowcy, aby stworzyć choć niewielką poprawę w istniejących technologiach. Jednym z podstawowych zjawisk, które pomagają ludziom to zrobić, jest dyfrakcja rentgenowska.
Promieniowanie elektromagnetyczne
Najpierw musisz wyjaśnić, czym jest promieniowanie elektromagnetyczne. Każde poruszające się naładowane ciało wytwarza wokół siebie pole elektromagnetyczne. Pola te przenikają wszystko dookoła, nawet próżnia kosmosu nie jest od nich wolna. Jeśli w takim polu występują okresowe zaburzenia, które mogą się rozprzestrzeniać w kosmosie, nazywamy je promieniowaniem elektromagnetycznym. Do jej opisu używane są pojęcia takie jak długość fali, częstotliwość i jej energia. Czym jest energia, jest intuicyjne, a długość fali to odległość między nimiidentyczne fazy (na przykład między dwoma sąsiednimi maksimami). Im wyższa długość fali (i odpowiednio częstotliwość), tym niższa jej energia. Przypomnij sobie, że te pojęcia są niezbędne do opisania, czym jest dyfrakcja rentgenowska w sposób zwięzły i zwięzły.
Widmo elektromagnetyczne
Wszystkie rodzaje promieni elektromagnetycznych pasują do specjalnej skali. W zależności od długości fali rozróżniają (od najdłuższej do najkrótszej):
- fale radiowe;
- fale terahercowe;
- fale podczerwone;
- widoczne fale;
- fale ultrafioletowe;
- Fale rentgenowskie;
- promieniowanie gamma.
W związku z tym promieniowanie, które nas interesuje, ma bardzo krótką długość fali i najwyższe energie (dlatego jest czasami nazywane twardym). Dlatego zbliżamy się do opisania czym jest dyfrakcja rentgenowska.
Pochodzenie promieni rentgenowskich
Im wyższa energia promieniowania, tym trudniej jest ją sztucznie uzyskać. Po rozpaleniu człowiek otrzymuje dużo promieniowania podczerwonego, ponieważ to on przenosi ciepło. Jednak aby zaszła dyfrakcja promieni rentgenowskich na strukturach przestrzennych, trzeba włożyć wiele wysiłku. Tak więc ten rodzaj promieniowania elektromagnetycznego jest uwalniany, gdy elektron jest wybijany z powłoki atomu, która znajduje się blisko jądra. Elektrony znajdujące się powyżej mają tendencję do wypełniania powstałej dziury, ich przejść i dają fotony rentgenowskie. Również podczas gwałtownego hamowania naładowanych cząstek o masie (na przykładelektronów), wytwarzane są te wysokoenergetyczne wiązki. Tak więc dyfrakcji promieni rentgenowskich na sieci krystalicznej towarzyszy wydatek dość dużej ilości energii.
W skali przemysłowej promieniowanie to uzyskuje się w następujący sposób:
- Katoda emituje elektron o wysokiej energii.
- Elektron zderza się z materiałem anody.
- Elektron gwałtownie zwalnia (podczas emisji promieniowania rentgenowskiego).
- W innym przypadku spowalniająca cząstka wybija elektron z niskiej orbity atomu z materiału anodowego, co również generuje promieniowanie rentgenowskie.
Konieczne jest również zrozumienie, że jak każde inne promieniowanie elektromagnetyczne, promieniowanie rentgenowskie ma swoje własne widmo. Samo to promieniowanie jest dość szeroko stosowane. Każdy wie, że złamaną kość lub guz w płucach szuka się za pomocą prześwietlenia.
Struktura substancji krystalicznej
Teraz zbliżamy się do tego, czym jest metoda dyfrakcji rentgenowskiej. Aby to zrobić, konieczne jest wyjaśnienie, jak ułożone jest ciało stałe. W nauce ciało stałe nazywa się dowolną substancją w stanie krystalicznym. Drewno, glina czy szkło są lite, ale brakuje im najważniejszego: struktury okresowej. Ale kryształy mają tę niesamowitą właściwość. Już sama nazwa tego zjawiska zawiera jego istotę. Najpierw musisz zrozumieć, że atomy w krysztale są sztywno zamocowane. Wiązania między nimi mają pewien stopień elastyczności, ale są zbyt silne, aby atomy mogły poruszać się wewnątrz.kraty. Takie epizody są możliwe, ale z bardzo silnym wpływem zewnętrznym. Na przykład, jeśli kryształ metalu jest wygięty, powstają w nim różnego rodzaju defekty punktowe: w niektórych miejscach atom opuszcza swoje miejsce, tworząc wakat, w innych przesuwa się w niewłaściwe pozycje, tworząc defekt śródmiąższowy. W miejscu załamania kryształ traci smukłą strukturę krystaliczną, staje się bardzo ułomny, luźny. Dlatego lepiej nie używać spinacza do papieru, który został raz odgięty, ponieważ metal stracił swoje właściwości.
Jeżeli atomy są sztywno zamocowane, nie można ich już losowo ułożyć względem siebie, jak w przypadku cieczy. Muszą zorganizować się w taki sposób, aby zminimalizować energię ich interakcji. W ten sposób atomy układają się w sieć. W każdej sieci znajduje się minimalny zestaw atomów ułożonych w specjalny sposób w przestrzeni - jest to elementarna komórka kryształu. Jeśli nadasz go w całości, czyli połączymy ze sobą krawędzie, przesuwając się w dowolnym kierunku, otrzymamy cały kryształ. Warto jednak pamiętać, że jest to model. Każdy prawdziwy kryształ ma wady i prawie niemożliwe jest osiągnięcie absolutnie dokładnego tłumaczenia. Nowoczesne krzemowe komórki pamięci są zbliżone do idealnych kryształów. Jednak ich zdobycie wymaga niesamowitych ilości energii i innych zasobów. W laboratorium naukowcy uzyskują doskonałe struktury różnego rodzaju, ale z reguły koszty ich tworzenia są zbyt wysokie. Ale założymy, że wszystkie kryształy są idealne: w każdymkierunku, te same atomy będą znajdować się w tych samych odległościach od siebie. Ta struktura nazywana jest siecią krystaliczną.
Badanie struktury krystalicznej
Dzięki temu możliwa jest dyfrakcja rentgenowska na kryształach. Okresowa budowa kryształów tworzy w nich pewne płaszczyzny, w których atomów jest więcej niż w innych kierunkach. Czasami płaszczyzny te wyznacza symetria sieci krystalicznej, czasami wzajemny układ atomów. Każdy samolot ma przypisane własne oznaczenie. Odległości między płaszczyznami są bardzo małe: rzędu kilku angstremów (przypomnijmy, angstrem to 10-10 metra lub 0,1 nanometra).
Jednakże w każdym prawdziwym krysztale jest wiele płaszczyzn o tym samym kierunku, nawet bardzo małym. Dyfrakcja rentgenowska jako metoda wykorzystuje ten fakt: wszystkie fale, które zmieniły kierunek na płaszczyznach o tym samym kierunku, są sumowane, dając dość wyraźny sygnał na wyjściu. Dzięki temu naukowcy mogą zrozumieć, w jakich kierunkach te płaszczyzny znajdują się wewnątrz kryształu, i ocenić wewnętrzną strukturę struktury kryształu. Jednak same te dane nie wystarczą. Oprócz kąta nachylenia musisz także znać odległość między płaszczyznami. Bez tego możesz uzyskać tysiące różnych modeli konstrukcji, ale nie znasz dokładnej odpowiedzi. W jaki sposób naukowcy dowiadują się o odległości między samolotami, zostanie omówione poniżej.
Zjawisko dyfrakcji
Podaliśmy już fizyczne uzasadnienie tego, czym jest dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego na przestrzennej sieci kryształów. Jednak nie wyjaśniliśmy jeszcze istotyzjawiska dyfrakcji. Zatem dyfrakcja to zaokrąglanie przeszkód przez fale (w tym elektromagnetyczne). Zjawisko to wydaje się być pogwałceniem prawa optyki liniowej, ale tak nie jest. Jest to ściśle związane z interferencją i właściwościami falowymi np. fotonów. Jeśli na drodze światła znajduje się przeszkoda, to dzięki dyfrakcji fotony mogą „wyjrzeć” za róg. To, jak daleko kierunek światła rozchodzi się od linii prostej, zależy od wielkości przeszkody. Im mniejsza przeszkoda, tym krótsza powinna być długość fali elektromagnetycznej. Dlatego dyfrakcja rentgenowska na monokryształach odbywa się na tak krótkich falach: odległość między płaszczyznami jest bardzo mała, fotony optyczne po prostu nie będą „pełzać” między nimi, a jedynie będą odbijane od powierzchni.
Taka koncepcja jest prawdziwa, ale we współczesnej nauce jest uważana za zbyt wąską. Aby rozszerzyć jego definicję, a także dla ogólnej erudycji, przedstawiamy metody manifestacji dyfrakcji falowej.
- Zmiana przestrzennej struktury fal. Na przykład rozszerzenie kąta propagacji wiązki falowej, ugięcie fali lub serii fal w pewnym preferowanym kierunku. Do tej klasy zjawisk należy fala załamująca się wokół przeszkód.
- Dekompozycja fal na widmo.
- Zmiana polaryzacji fali.
- Transformacja struktury fazowej fal.
Zjawisko dyfrakcji wraz z interferencją powoduje, że kiedy wiązka światła skierowana jest na wąską szczelinę za nią, widzimy nie jedną, ale kilkalekkie maksima. Im dalej maksimum znajduje się od środka slotu, tym wyższa jest jego kolejność. Dodatkowo przy prawidłowym ustawieniu eksperymentu cień ze zwykłej igły do szycia (oczywiście cienkiej) dzieli się na kilka pasków, a maksimum światła obserwuje się dokładnie za igłą, a nie minimum.
Formuła Wulfa-Bragga
Wspomnieliśmy już powyżej, że ostateczny sygnał jest sumą wszystkich fotonów promieniowania rentgenowskiego, które odbijają się od płaszczyzn o tym samym nachyleniu wewnątrz kryształu. Ale jedna ważna zależność pozwala dokładnie obliczyć strukturę. Bez niego dyfrakcja rentgenowska byłaby bezużyteczna. Wzór Wulfa-Bragga wygląda tak: 2dsinƟ=nλ. Tutaj d to odległość między płaszczyznami o tym samym kącie nachylenia, θ to kąt patrzenia (kąt Bragga) lub kąt padania na płaszczyznę, n to rząd maksimum dyfrakcji, λ to długość fali. Ponieważ wiadomo z góry, które widmo rentgenowskie jest wykorzystywane do uzyskania danych i pod jakim kątem pada to promieniowanie, ten wzór pozwala nam obliczyć wartość d. Nieco wyżej powiedzieliśmy już, że bez tych informacji nie można dokładnie uzyskać struktury substancji.
Nowoczesne zastosowanie dyfrakcji rentgenowskiej
Pojawia się pytanie: w jakich przypadkach ta analiza jest potrzebna, czy naukowcy nie zbadali już wszystkiego w świecie struktury i czy ludzie, pozyskując zupełnie nowe substancje, nie zakładają, jaki wynik ich czeka ? Są cztery odpowiedzi.
- Tak, całkiem dobrze poznaliśmy naszą planetę. Ale co roku znajdują się nowe minerały. Czasami ich struktura jest równazgadnij bez prześwietleń nie zadziała.
- Wielu naukowców próbuje poprawić właściwości już istniejących materiałów. Substancje te poddawane są różnego rodzaju obróbce (ciśnienie, temperatura, lasery itp.). Czasami elementy są dodawane lub usuwane z ich struktury. Dyfrakcja rentgenowska na kryształach pomoże zrozumieć, jakie wewnętrzne rearanżacje wystąpiły w tym przypadku.
- W przypadku niektórych zastosowań (np. nośniki aktywne, lasery, karty pamięci, elementy optyczne systemów nadzoru) kryształy muszą być bardzo precyzyjnie dopasowane. Dlatego ich struktura jest sprawdzana tą metodą.
- Dyfrakcja rentgenowska to jedyny sposób, aby dowiedzieć się, ile i jakie fazy uzyskano podczas syntezy w układach wieloskładnikowych. Przykładem takich systemów mogą być ceramiczne elementy nowoczesnej technologii. Obecność niepożądanych faz może prowadzić do poważnych konsekwencji.
Eksploracja kosmosu
Wiele osób pyta: „Po co nam ogromne obserwatoria na orbicie Ziemi, po co nam łazik, skoro ludzkość nie rozwiązała jeszcze problemów biedy i wojny?”
Każdy ma swoje własne powody za i przeciw, ale jasne jest, że ludzkość musi mieć marzenie.
Dlatego patrząc na gwiazdy, dzisiaj możemy śmiało powiedzieć: z każdym dniem wiemy o nich coraz więcej.
Promienie rentgenowskie z procesów zachodzących w kosmosie nie docierają do powierzchni naszej planety, są pochłaniane przez atmosferę. Ale ta częśćWidmo elektromagnetyczne zawiera wiele danych o zjawiskach wysokoenergetycznych. Dlatego instrumenty, które badają promieniowanie rentgenowskie, muszą zostać wyniesione z Ziemi na orbitę. Obecnie istniejące stacje badają następujące obiekty:
- pozostałości po wybuchach supernowych;
- centra galaktyk;
- gwiazdy neutronowe;
- czarne dziury;
- zderzenia masywnych obiektów (galaktyki, grupy galaktyk).
Co zaskakujące, według różnych projektów dostęp do tych stacji mają studenci, a nawet uczniowie. Badają promienie rentgenowskie pochodzące z głębokiej przestrzeni: dyfrakcja, interferencja, widmo stają się przedmiotem ich zainteresowania. A niektórzy bardzo młodzi użytkownicy tych obserwatoriów kosmicznych dokonują odkryć. Uważny czytelnik może oczywiście sprzeciwić się temu, że po prostu ma czas na obejrzenie zdjęć w wysokiej rozdzielczości i dostrzeżenie subtelnych szczegółów. I oczywiście znaczenie odkryć z reguły rozumieją tylko poważni astronomowie. Ale takie przypadki inspirują młodych ludzi do poświęcenia swojego życia eksploracji kosmosu. I warto dążyć do tego celu.
W ten sposób osiągnięcia Wilhelma Conrada Roentgena otworzyły dostęp do gwiezdnej wiedzy i możliwości podboju innych planet.
