Den här artikeln innehåller en beskrivning av något som röntgendiffraktion. Den fysiska grunden för detta fenomen och dess tillämpningar förklaras här.
Teknik för att skapa nytt material
Innovation, nanoteknik är trenden i den moderna världen. Nyheterna är fulla av rapporter om nya revolutionerande material. Men få människor tänker på vilken enorm forskningsapparat forskare behöver för att skapa åtminstone en liten förbättring av befintlig teknik. Ett av de grundläggande fenomenen som hjälper människor att göra detta är röntgendiffraktion.
Elektromagnetisk strålning
Först måste du förklara vad elektromagnetisk strålning är. Varje laddad kropp som rör sig genererar ett elektromagnetiskt fält runt sig själv. Dessa fält genomsyrar allt runt omkring, inte ens vakuumet av djup rymd är fritt från dem. Om det i ett sådant fält finns periodiska störningar som kan fortplanta sig i rymden kallas de för elektromagnetisk strålning. För att beskriva det används begrepp som våglängd, frekvens och dess energi. Vad som är energi är intuitivt, och våglängden är avståndet mellanidentiska faser (till exempel mellan två intilliggande maxima). Ju högre våglängd (och följaktligen frekvensen), desto lägre energi. Kom ihåg att dessa begrepp är nödvändiga för att beskriva vad röntgendiffraktion är koncist och koncist.
Elektromagnetiskt spektrum
Alla olika elektromagnetiska strålar passar i en speciell skala. Beroende på våglängden skiljer de (från den längsta till den kortaste):
- radiovågor;
- terahertz-vågor;
- infraröda vågor;
- synliga vågor;
- ultravioletta vågor;
- röntgenvågor;
- gammastrålning.
Den strålning vi är intresserade av har alltså en mycket kort våglängd och de högsta energierna (vilket är anledningen till att den ibland kallas hård). Därför kommer vi närmare att beskriva vad röntgendiffraktion är.
Ursprunget till röntgenstrålar
Ju högre strålningsenergin är, desto svårare är det att få fram den på konstgjord väg. Efter att ha gjort en eld får en person mycket infraröd strålning, eftersom det är det som överför värme. Men för att diffraktionen av röntgenstrålar av rumsliga strukturer ska inträffa måste mycket ansträngning göras. Så denna typ av elektromagnetisk strålning frigörs när en elektron slås ut ur skalet på en atom, som är nära kärnan. Elektronerna ovanför tenderar att fylla det resulterande hålet, deras övergångar och ge röntgenfotoner. Även under kraftig inbromsning av laddade partiklar med massa (till exempel,elektroner), produceras dessa högenergistrålar. Således åtföljs diffraktionen av röntgenstrålar på ett kristallgitter av en ganska stor mängd energi.
I industriell skala erhålls denna strålning enligt följande:
- Katoden avger en högenergielektron.
- Elektron kolliderar med anodens material.
- Elektronen bromsar kraftigt (medan den sänder ut röntgenstrålar).
- I ett annat fall slår den bromsande partikeln ut en elektron ur atomens låga omloppsbana från anodmaterialet, vilket också genererar röntgenstrålar.
Det är också nödvändigt att förstå att, precis som all annan elektromagnetisk strålning, har röntgenstrålar sitt eget spektrum. Denna strålning i sig används ganska brett. Alla vet att ett brutet ben eller en massa i lungorna letas upp med hjälp av röntgen.
Struktur av en kristallin substans
Nu kommer vi nära vad röntgendiffraktionsmetoden är. För att göra detta är det nödvändigt att förklara hur en solid kropp är anordnad. Inom vetenskapen kallas en fast kropp vilken substans som helst i kristallint tillstånd. Trä, lera eller glas är fasta, men de saknar det viktigaste: en periodisk struktur. Men kristaller har denna fantastiska egenskap. Själva namnet på detta fenomen innehåller dess essens. Först måste du förstå att atomerna i kristallen är styvt fixerade. Bindningarna mellan dem har en viss grad av elasticitet, men de är för starka för att atomer ska kunna röra sig inuti.galler. Sådana episoder är möjliga, men med en mycket stark yttre påverkan. Till exempel, om en metallkristall böjs, bildas punktdefekter av olika typer i den: på vissa ställen lämnar atomen sin plats och bildar en tom plats, i andra flyttar den till fel positioner och bildar en interstitiell defekt. På platsen för böjningen förlorar kristallen sin smala kristallina struktur, blir mycket defekt, lös. Därför är det bättre att inte använda ett gem som har varit oböjt en gång, eftersom metallen har förlorat sina egenskaper.
Om atomerna är stelt fixerade kan de inte längre vara slumpmässigt arrangerade i förhållande till varandra, som i vätskor. De måste organisera sig på ett sådant sätt att de minimerar energin i deras interaktion. Således radar atomerna upp sig i ett gitter. I varje gitter finns en minsta uppsättning atomer arrangerade på ett speciellt sätt i rymden - detta är kristallens elementära cell. Om vi sänder det helt, det vill säga kombinerar kanterna med varandra, skiftar i vilken riktning som helst, kommer vi att få hela kristallen. Det är dock värt att komma ihåg att detta är en modell. Alla riktiga kristaller har defekter, och det är nästan omöjligt att uppnå en absolut korrekt översättning. Moderna kiselminnesceller är nära idealiska kristaller. Men att få dem kräver otroliga mängder energi och andra resurser. I laboratoriet får forskare perfekta strukturer av olika slag, men som regel är kostnaderna för att skapa för höga. Men vi kommer att anta att alla kristaller är idealiska: i allariktning kommer samma atomer att vara belägna på samma avstånd från varandra. Denna struktur kallas ett kristallgitter.
Studier av kristallstruktur
Det beror på detta faktum att röntgendiffraktion på kristaller är möjlig. Den periodiska strukturen hos kristaller skapar vissa plan i dem, i vilka det finns fler atomer än i andra riktningar. Ibland ställs dessa plan av kristallgittrets symmetri, ibland av det inbördes arrangemanget av atomer. Varje plan tilldelas sin egen beteckning. Avstånden mellan planen är mycket små: i storleksordningen flera ångström (kom ihåg, en ångström är 10-10 meter eller 0,1 nanometer).
Det finns dock många plan i samma riktning i vilken riktig kristall som helst, även en mycket liten. Röntgendiffraktion som metod utnyttjar detta faktum: alla vågor som har ändrat riktning på plan i samma riktning summeras, vilket ger en ganska tydlig signal vid utgången. Så forskare kan förstå i vilka riktningar dessa plan är belägna inuti kristallen och bedöma den inre strukturen av kristallstrukturen. Dessa uppgifter ensamma är dock inte tillräckliga. Förutom lutningsvinkeln behöver du också känna till avståndet mellan planen. Utan detta kan du få tusentals olika modeller av strukturen, men inte veta det exakta svaret. Hur forskare lär sig om avståndet mellan planen kommer att diskuteras nedan.
Diffraktionsfenomen
Vi har redan gett en fysisk motivering av vad röntgendiffraktion på det rumsliga gittret av kristaller är. Ännu har vi dock inte förklarat essensendiffraktionsfenomen. Så diffraktion är avrundning av hinder med vågor (inklusive elektromagnetiska). Detta fenomen verkar vara ett brott mot lagen om linjär optik, men det är det inte. Det är nära relaterat till interferens och vågegenskaper hos till exempel fotoner. Om det finns ett hinder i vägen för ljus, kan fotoner på grund av diffraktion "se" runt hörnet. Hur långt ljusets riktning rör sig från en rak linje beror på hindrets storlek. Ju mindre hindret är, desto kortare bör den elektromagnetiska våglängden vara. Det är därför som röntgendiffraktion på enkristaller utförs med så korta vågor: avståndet mellan planen är mycket litet, optiska fotoner kommer helt enkelt inte att "krypa" mellan dem, utan kommer bara att reflekteras från ytan.
Ett sådant begrepp är sant, men i modern vetenskap anses det vara för snävt. För att utöka dess definition, såväl som för allmän erudition, presenterar vi metoder för manifestation av vågdiffraktion.
- Ändra vågornas rumsliga struktur. Till exempel expansionen av utbredningsvinkeln för en vågstråle, avböjningen av en våg eller en serie vågor i någon föredragen riktning. Det är till denna klass av fenomen som vågböjning runt hinder tillhör.
- Sönderdelning av vågor till ett spektrum.
- Förändring i vågpolarisation.
- Transformation av vågornas fasstruktur.
Fenomenet diffraktion, tillsammans med interferens, är ansvarigt för det faktum att när en ljusstråle riktas mot en smal slits bakom den, ser vi inte en utan fleraljusmaxima. Ju längre det maximala är från mitten av luckan, desto högre är dess ordning. Dessutom, med rätt inställning av experimentet, delas skuggan från en vanlig synål (naturligtvis tunn) upp i flera ränder, och ljusmaximum observeras exakt bakom nålen, och inte minimum.
Wulf-Bragg-formel
Vi har redan sagt ovan att slutsignalen är summan av alla röntgenfotoner som reflekteras från plan med samma lutning inuti kristallen. Men en viktig relation gör att du kan beräkna strukturen exakt. Utan den skulle röntgendiffraktion vara värdelös. Wulf-Braggs formel ser ut så här: 2dsinƟ=nλ. Här är d avståndet mellan plan med samma lutningsvinkel, θ är blickvinkeln (Bragg-vinkeln), eller infallsvinkeln på planet, n är ordningen för diffraktionsmaximum, λ är våglängden. Eftersom det är känt i förväg vilket röntgenspektrum som används för att erhålla data och i vilken vinkel denna strålning faller, tillåter denna formel oss att beräkna värdet på d. Vi har redan sagt lite högre att utan denna information är det omöjligt att exakt erhålla strukturen hos ett ämne.
Modern tillämpning av röntgendiffraktion
Frågan uppstår: i vilka fall behövs denna analys, har inte vetenskapsmän redan utforskat allt i strukturvärlden, och antar inte människor, när de skaffar fundament alt nya ämnen, vilken typ av resultat som väntar dem ? Det finns fyra svar.
- Ja, vi lärde känna vår planet ganska väl. Men varje år hittas nya mineraler. Ibland är deras struktur jämnantar att det inte fungerar utan röntgen.
- Många forskare försöker förbättra egenskaperna hos redan existerande material. Dessa ämnen utsätts för olika typer av bearbetning (tryck, temperatur, lasrar, etc.). Ibland läggs element till eller tas bort från deras struktur. Röntgendiffraktion på kristaller hjälper till att förstå vilka interna omarrangemang som inträffade i det här fallet.
- För vissa applikationer (t.ex. aktiva media, lasrar, minneskort, optiska element i övervakningssystem) måste kristaller vara mycket exakt matchade. Därför kontrolleras deras struktur med den här metoden.
- Röntgendiffraktion är det enda sättet att ta reda på hur många och vilka faser som erhölls under syntes i flerkomponentsystem. Keramiska element av modern teknik kan fungera som ett exempel på sådana system. Förekomsten av oönskade faser kan leda till allvarliga konsekvenser.
Utforskning av rymden
Många människor frågar: "Varför behöver vi enorma observatorier i jordens omloppsbana, varför behöver vi en rover om mänskligheten ännu inte har löst problemen med fattigdom och krig?"
Alla har sina egna skäl för och emot, men det är klart att mänskligheten måste ha en dröm.
Därför, när vi tittar på stjärnorna, kan vi idag säga med tillförsikt: vi vet mer och mer om dem varje dag.
Röntgenstrålar från processer som sker i rymden når inte ytan på vår planet, de absorberas av atmosfären. Men den här delenDet elektromagnetiska spektrumet bär mycket data om högenergifenomen. Därför måste instrument som studerar röntgenstrålar tas ut ur jorden, i omloppsbana. För närvarande studerar befintliga stationer följande objekt:
- rester av supernovaexplosioner;
- centers of galaxies;
- neutronstjärnor;
- svarta hål;
- kollisioner av massiva objekt (galaxer, grupper av galaxer).
Överraskande nog, enligt olika projekt, ges tillgång till dessa stationer till studenter och till och med skolbarn. De studerar röntgenstrålar som kommer från rymden: diffraktion, interferens, spektrum blir föremål för deras intresse. Och några mycket unga användare av dessa rymdobservatorier gör upptäckter. En noggrann läsare kan förstås invända att de bara hinner titta på högupplösta bilder och lägga märke till subtila detaljer. Och naturligtvis förstås vikten av upptäckter som regel endast av seriösa astronomer. Men sådana fall inspirerar unga människor att ägna sina liv åt utforskning av rymden. Och detta mål är värt att sträva efter.
Således öppnade Wilhelm Conrad Roentgens prestationer tillgång till stjärnkunskap och förmågan att erövra andra planeter.
