Denne artikel indeholder en beskrivelse af sådan noget som røntgendiffraktion. Det fysiske grundlag for dette fænomen og dets anvendelser er forklaret her.
Teknologier til at skabe nye materialer
Innovation, nanoteknologi er trenden i den moderne verden. Nyhederne er fyldt med rapporter om nye revolutionerende materialer. Men de færreste tænker på, hvilket enormt forskningsapparat videnskabsmænd har brug for for at skabe i det mindste en lille forbedring af eksisterende teknologier. Et af de grundlæggende fænomener, der hjælper folk med at gøre dette, er røntgendiffraktion.
Elektromagnetisk stråling
Først skal du forklare, hvad elektromagnetisk stråling er. Ethvert ladet legeme i bevægelse genererer et elektromagnetisk felt omkring sig selv. Disse felter gennemsyrer alt omkring, selv det dybe rums vakuum er ikke fri for dem. Hvis der i et sådant felt er periodiske forstyrrelser, der kan forplante sig i rummet, kaldes de elektromagnetisk stråling. Til at beskrive det bruges begreber som bølgelængde, frekvens og dens energi. Hvad der er energi er intuitivt, og bølgelængden er afstanden imellemidentiske faser (f.eks. mellem to tilstødende maksima). Jo højere bølgelængden (og følgelig frekvensen), jo lavere er energien. Husk på, at disse begreber er nødvendige for at beskrive, hvad røntgendiffraktion er kortfattet og kortfattet.
Elektromagnetisk spektrum
Alle forskellige elektromagnetiske stråler passer på en speciel skala. Afhængigt af bølgelængden skelner de (fra den længste til den korteste):
- radiobølger;
- terahertz-bølger;
- infrarøde bølger;
- synlige bølger;
- ultraviolette bølger;
- røntgenbølger;
- gammastråling.
Den stråling, vi er interesseret i, har således en meget kort bølgelængde og de højeste energier (hvorfor den nogle gange kaldes hård). Derfor kommer vi tættere på at beskrive, hvad røntgendiffraktion er.
Oprindelsen af røntgenstråler
Jo højere strålingsenergien er, jo sværere er det at opnå den kunstigt. Efter at have lavet en ild modtager en person meget infrarød stråling, fordi det er det, der overfører varme. Men for at diffraktionen af røntgenstråler af rumlige strukturer kan forekomme, skal der gøres en stor indsats. Så denne form for elektromagnetisk stråling frigives, når en elektron slås ud af skallen på et atom, som er tæt på kernen. Elektronerne placeret ovenfor har en tendens til at fylde det resulterende hul, deres overgange og give røntgenfotoner. Også under skarp deceleration af ladede partikler med masse (f.eks.elektroner), produceres disse højenergistråler. Således er diffraktionen af røntgenstråler på et krystalgitter ledsaget af forbruget af en ret stor mængde energi.
I industriel skala opnås denne stråling som følger:
- Katoden udsender en højenergielektron.
- Elektron kolliderer med anodens materiale.
- Elektronen decelererer kraftigt (mens den udsender røntgenstråler).
- I et andet tilfælde slår den decelererende partikel en elektron ud af atomets lave kredsløb fra anodematerialet, som også genererer røntgenstråler.
Det er også nødvendigt at forstå, at som enhver anden elektromagnetisk stråling har røntgenstråler deres eget spektrum. Denne stråling i sig selv bruges ret bredt. Alle ved, at man leder efter en brækket knogle eller en masse i lungerne ved hjælp af røntgenbilleder.
Struktur af et krystallinsk stof
Nu er vi tæt på, hvad røntgendiffraktionsmetoden er. For at gøre dette er det nødvendigt at forklare, hvordan en fast krop er arrangeret. I videnskaben kaldes et fast legeme for ethvert stof i en krystallinsk tilstand. Træ, ler eller glas er solide, men de mangler det vigtigste: en periodisk struktur. Men krystaller har denne fantastiske egenskab. Selve navnet på dette fænomen indeholder dets essens. Først skal du forstå, at atomerne i krystallen er fastgjort stift. Bindingerne mellem dem har en vis grad af elasticitet, men de er for stærke til, at atomer kan bevæge sig rundt indeni.riste. Sådanne episoder er mulige, men med en meget stærk ekstern påvirkning. For eksempel, hvis en metalkrystal er bøjet, dannes der punktdefekter af forskellige typer i den: nogle steder forlader atomet sin plads og danner en ledig plads, i andre bevæger den sig til de forkerte positioner og danner en interstitiel defekt. På stedet for bøjningen mister krystallen sin slanke krystallinske struktur, bliver meget defekt, løs. Derfor er det bedre ikke at bruge en papirclips, der har været ubøjet én gang, da metallet har mistet sine egenskaber.
Hvis atomerne er stift fikseret, kan de ikke længere arrangeres tilfældigt i forhold til hinanden, som i væsker. De skal organisere sig selv på en sådan måde, at de minimerer energien i deres interaktion. Således stiller atomerne op i et gitter. I hvert gitter er der et minimumssæt af atomer arrangeret på en særlig måde i rummet - dette er krystallens elementære celle. Hvis vi udsender det helt, det vil sige kombinerer kanterne med hinanden, skiftende i enhver retning, får vi hele krystallen. Det er dog værd at huske på, at dette er en model. Enhver ægte krystal har defekter, og det er næsten umuligt at opnå en absolut nøjagtig oversættelse. Moderne siliciumhukommelsesceller er tæt på ideelle krystaller. Men at få dem kræver utrolige mængder energi og andre ressourcer. I laboratoriet opnår videnskabsmænd perfekte strukturer af forskellig art, men som regel er omkostningerne ved deres oprettelse for høje. Men vi vil antage, at alle krystaller er ideelle: i enhverretning, vil de samme atomer være placeret i samme afstand fra hinanden. Denne struktur kaldes et krystalgitter.
Undersøgelse af krystalstruktur
Det er på grund af dette faktum, at røntgendiffraktion på krystaller er mulig. Den periodiske struktur af krystaller skaber visse planer i dem, hvori der er flere atomer end i andre retninger. Nogle gange er disse planer sat af krystalgitterets symmetri, nogle gange af det indbyrdes arrangement af atomer. Hvert fly er tildelt sin egen betegnelse. Afstandene mellem flyene er meget små: i størrelsesordenen adskillige ångstrøm (husk, en ångstrøm er 10-10 meter eller 0,1 nanometer).
Der er dog mange planer i samme retning i enhver ægte krystal, selv en meget lille. Røntgendiffraktion som metode udnytter dette faktum: alle bølger, der har ændret retning på planer i samme retning, opsummeres, hvilket giver et ret klart signal ved udgangen. Så videnskabsmænd kan forstå, i hvilke retninger disse planer er placeret inde i krystallen, og bedømme den indre struktur af krystalstrukturen. Disse data alene er dog ikke nok. Ud over hældningsvinklen skal du også kende afstanden mellem flyene. Uden dette kan du få tusindvis af forskellige modeller af strukturen, men du kender ikke det nøjagtige svar. Hvordan videnskabsmænd lærer om afstanden mellem flyene vil blive diskuteret nedenfor.
Diffraktionsfænomen
Vi har allerede givet en fysisk begrundelse for, hvad røntgendiffraktion på det rumlige gitter af krystaller er. Vi har dog endnu ikke forklaret essensendiffraktionsfænomener. Så diffraktion er afrunding af forhindringer med bølger (inklusive elektromagnetiske). Dette fænomen ser ud til at være en overtrædelse af loven om lineær optik, men det er det ikke. Det hænger tæt sammen med interferens og bølgeegenskaber for for eksempel fotoner. Hvis der er en forhindring i vejen for lys, kan fotoner på grund af diffraktion "se" rundt om hjørnet. Hvor langt lysretningen bevæger sig fra en lige linje afhænger af forhindringens størrelse. Jo mindre forhindringen er, jo kortere skal den elektromagnetiske bølgelængde være. Det er derfor, røntgendiffraktion på enkeltkrystaller udføres ved hjælp af så korte bølger: afstanden mellem flyene er meget lille, optiske fotoner vil simpelthen ikke "kravle" mellem dem, men vil kun blive reflekteret fra overfladen.
Sådan et begreb er sandt, men i moderne videnskab anses det for at være for snævert. For at udvide dens definition, såvel som for generel lærdom, præsenterer vi metoder til manifestation af bølgediffraktion.
- Ændring af bølgernes rumlige struktur. For eksempel udvidelsen af udbredelsesvinklen for en bølgestråle, afbøjningen af en bølge eller en række bølger i en foretrukken retning. Det er denne klasse af fænomener, at bølgebøjning rundt om forhindringer tilhører.
- Dekomponering af bølger til et spektrum.
- Ændring i bølgepolarisering.
- Transformation af bølgers fasestruktur.
Fænomenet diffraktion er sammen med interferens ansvarlig for, at når en lysstråle rettes mod en smal sp alte bagved, ser vi ikke én, men flerelysmaksima. Jo længere maksimum er fra midten af sp alten, jo højere rækkefølge. Derudover er skyggen fra en almindelig synål (selvfølgelig tynd) med den korrekte indstilling af eksperimentet opdelt i flere striber, og lysmaksimum observeres præcis bag nålen, og ikke minimum.
Wulf-Bragg-formel
Vi har allerede sagt ovenfor, at det endelige signal er summen af alle røntgenfotoner, der reflekteres fra planer med samme hældning inde i krystallen. Men en vigtig relation giver dig mulighed for nøjagtigt at beregne strukturen. Uden det ville røntgendiffraktion være ubrugelig. Wulf-Bragg-formlen ser således ud: 2dsinƟ=nλ. Her er d afstanden mellem planer med samme hældningsvinkel, θ er blikvinklen (Bragg-vinkel), eller indfaldsvinklen på planet, n er rækkefølgen af diffraktionsmaksimum, λ er bølgelængden. Da det på forhånd er kendt, hvilket røntgenspektrum der bruges til at opnå data og i hvilken vinkel denne stråling falder, giver denne formel os mulighed for at beregne værdien af d. Vi har allerede sagt lidt højere, at uden denne information er det umuligt nøjagtigt at opnå strukturen af et stof.
Moderne anvendelse af røntgendiffraktion
Spørgsmålet opstår: i hvilke tilfælde er denne analyse nødvendig, har videnskabsmænd ikke allerede udforsket alt i strukturens verden, og antager folk ikke, når de opnår fundament alt nye stoffer, hvilken slags resultater der venter dem ? Der er fire svar.
- Ja, vi lærte vores planet ret godt at kende. Men hvert år bliver der fundet nye mineraler. Nogle gange er deres struktur jævngæt uden røntgen vil ikke virke.
- Mange forskere forsøger at forbedre egenskaberne af allerede eksisterende materialer. Disse stoffer udsættes for forskellige former for behandling (tryk, temperatur, lasere osv.). Nogle gange tilføjes eller fjernes elementer fra deres struktur. Røntgendiffraktion på krystaller vil hjælpe med at forstå, hvilke interne omlejringer der fandt sted i dette tilfælde.
- For nogle applikationer (f.eks. aktive medier, lasere, hukommelseskort, optiske elementer i overvågningssystemer), skal krystaller matches meget præcist. Derfor kontrolleres deres struktur ved hjælp af denne metode.
- Røntgendiffraktion er den eneste måde at finde ud af, hvor mange og hvilke faser der blev opnået under syntese i multikomponentsystemer. Keramiske elementer af moderne teknologi kan tjene som et eksempel på sådanne systemer. Tilstedeværelsen af uønskede faser kan føre til alvorlige konsekvenser.
Udforskning af rummet
Mange mennesker spørger: "Hvorfor har vi brug for enorme observatorier i jordens kredsløb, hvorfor har vi brug for en rover, hvis menneskeheden endnu ikke har løst problemerne med fattigdom og krig?"
Alle har deres egne grunde for og imod, men det er klart, at menneskeheden skal have en drøm.
Derfor, når vi ser på stjernerne, kan vi i dag sige med tillid: vi ved mere og mere om dem hver dag.
Røntgenstråler fra processer, der foregår i rummet, når ikke vores planets overflade, de absorberes af atmosfæren. Men denne delDet elektromagnetiske spektrum bærer en masse data om højenergi-fænomener. Derfor skal instrumenter, der studerer røntgenstråler, tages ud af Jorden, i kredsløb. I øjeblikket studerer eksisterende stationer følgende objekter:
- rester af supernovaeksplosioner;
- centre for galakser;
- neutronstjerner;
- sorte huller;
- kollisioner af massive objekter (galakser, grupper af galakser).
Overraskende nok, ifølge forskellige projekter, er adgang til disse stationer givet til studerende og endda skolebørn. De studerer røntgenstråler, der kommer fra det dybe rum: diffraktion, interferens, spektrum bliver genstand for deres interesse. Og nogle meget unge brugere af disse rumobservatorier gør opdagelser. En omhyggelig læser kan selvfølgelig indvende, at de bare har tid til at se på billeder i høj opløsning og bemærke subtile detaljer. Og selvfølgelig forstås vigtigheden af opdagelser som regel kun af seriøse astronomer. Men sådanne sager inspirerer unge mennesker til at dedikere deres liv til udforskning af rummet. Og dette mål er værd at forfølge.
Således åbnede Wilhelm Conrad Roentgens præstationer adgang til stjerneviden og evnen til at erobre andre planeter.
