Тази статия съдържа описание на такова нещо като дифракция на рентгенови лъчи. Физическата основа на това явление и неговите приложения са обяснени тук.
Технологии за създаване на нови материали
Иновациите, нанотехнологиите са тенденцията на съвременния свят. Новините са пълни с репортажи за нови революционни материали. Но малко хора се замислят от какъв огромен изследователски апарат се нуждаят учените, за да създадат поне малко подобрение в съществуващите технологии. Едно от основните явления, които помагат на хората да правят това, е дифракция на рентгенови лъчи.
Електромагнитно излъчване
Първо трябва да обясните какво е електромагнитно излъчване. Всяко движещо се заредено тяло генерира електромагнитно поле около себе си. Тези полета проникват във всичко наоколо, дори вакуумът на дълбокия космос не е свободен от тях. Ако в такова поле има периодични смущения, които могат да се разпространяват в пространството, те се наричат електромагнитно излъчване. За неговото описание се използват понятия като дължина на вълната, честота и нейната енергия. Това, което е енергия, е интуитивно, а дължината на вълната е разстоянието между тяхидентични фази (например между два съседни максимума). Колкото по-висока е дължината на вълната (и съответно честотата), толкова по-ниска е нейната енергия. Припомнете си, че тези понятия са необходими, за да опишат какво е рентгенова дифракция накратко и накратко.
Електромагнитен спектър
Цялото разнообразие от електромагнитни лъчи се побира в специална скала. В зависимост от дължината на вълната те различават (от най-дългата до най-късата):
- радиовълни;
- терахерцови вълни;
- инфрачервени вълни;
- видими вълни;
- ултравиолетови вълни;
- рентгенови вълни;
- гама лъчение.
По този начин излъчването, което ни интересува, има много къса дължина на вълната и най-високи енергии (поради което понякога се нарича твърдо). Следователно, ние се доближаваме до това да опишем какво е дифракция на рентгенови лъчи.
Произходът на рентгеновите лъчи
Колкото по-висока е радиационната енергия, толкова по-трудно е да се получи изкуствено. След като направи огън, човек получава много инфрачервено лъчение, защото именно то пренася топлина. Но за да се случи дифракцията на рентгеновите лъчи от пространствени структури, трябва да се положат много усилия. И така, този вид електромагнитно излъчване се освобождава, когато електронът бъде избит от обвивката на атома, която е близо до ядрото. Електроните, разположени по-горе, имат тенденция да запълват получената дупка, техните преходи и дават рентгенови фотони. Също така, по време на рязко забавяне на заредени частици с маса (напр.електрони), се произвеждат тези високоенергийни лъчи. По този начин дифракцията на рентгенови лъчи върху кристална решетка е придружена от изразходване на доста голямо количество енергия.
В индустриален мащаб това излъчване се получава, както следва:
- Катодът излъчва високоенергиен електрон.
- Електронът се сблъсква с материала на анода.
- Електронът се забавя рязко (докато излъчва рентгенови лъчи).
- В друг случай, забавящата се частица избива електрон от ниската орбита на атома от материала на анода, което също генерира рентгенови лъчи.
Необходимо е също така да се разбере, че както всяко друго електромагнитно излъчване, рентгеновите лъчи имат свой собствен спектър. Самото това излъчване се използва доста широко. Всеки знае, че с помощта на рентгенови лъчи се търси счупена кост или маса в белите дробове.
Структура на кристално вещество
Сега се приближаваме до това какво представлява методът за дифракция на рентгенови лъчи. За да направите това, е необходимо да се обясни как е подредено твърдо тяло. В науката твърдо тяло се нарича всяко вещество в кристално състояние. Дървото, глината или стъклото са твърди, но им липсва основното: периодична структура. Но кристалите имат това невероятно свойство. Самото име на това явление съдържа неговата същност. Първо трябва да разберете, че атомите в кристала са фиксирани неподвижно. Връзките между тях имат известна степен на еластичност, но са твърде силни, за да могат атомите да се движат вътре.решетки. Такива епизоди са възможни, но с много силно външно влияние. Например, ако метален кристал е огънат, в него се образуват точкови дефекти от различен тип: на някои места атомът напуска мястото си, образувайки празно място, на други се премества в грешни позиции, образувайки интерстициален дефект. На мястото на завоя кристалът губи своята тънка кристална структура, става много дефектен, разхлабен. Ето защо е по-добре да не използвате кламер, който е бил разгънат веднъж, тъй като металът е загубил свойствата си.
Ако атомите са фиксирани неподвижно, те вече не могат да бъдат подредени на случаен принцип един спрямо друг, както в течностите. Те трябва да се организират по такъв начин, че да сведат до минимум енергията на тяхното взаимодействие. Така атомите се подреждат в решетка. Във всяка решетка има минимален набор от атоми, подредени по специален начин в пространството – това е елементарната клетка на кристала. Ако го излъчим изцяло, тоест комбинираме ръбовете един с друг, измествайки се във всяка посока, ще получим целия кристал. Въпреки това си струва да запомните, че това е модел. Всеки истински кристал има дефекти и е почти невъзможно да се постигне абсолютно точен превод. Съвременните силициеви клетки с памет са близки до идеалните кристали. Получаването им обаче изисква невероятни количества енергия и други ресурси. В лабораторията учените получават съвършени структури от различни видове, но като правило разходите за тяхното създаване са твърде високи. Но ще приемем, че всички кристали са идеални: във всекипосока, едни и същи атоми ще бъдат разположени на еднакви разстояния един от друг. Тази структура се нарича кристална решетка.
Изследване на кристалната структура
Дължи се на този факт, че дифракцията на рентгенови лъчи върху кристали е възможна. Периодичната структура на кристалите създава определени равнини в тях, в които има повече атоми, отколкото в други посоки. Понякога тези равнини се задават от симетрията на кристалната решетка, понякога от взаимното подреждане на атомите. На всеки самолет е присвоено собствено обозначение. Разстоянията между равнините са много малки: от порядъка на няколко ангстрьома (припомнете си, ангстрьомът е 10-10 метър или 0,1 нанометър).
Въпреки това, има много равнини с една и съща посока във всеки истински кристал, дори и много малък. Рентгеновата дифракция като метод използва този факт: всички вълни, които са променили посоката си в равнини със същата посока, се сумират, давайки доста ясен сигнал на изхода. Така учените могат да разберат в какви посоки са разположени тези равнини вътре в кристала и да преценят вътрешната структура на кристалната структура. Тези данни обаче сами по себе си не са достатъчни. Освен ъгъла на наклон, трябва да знаете и разстоянието между равнините. Без това можете да получите хиляди различни модели на структурата, но да не знаете точния отговор. Как учените научават за разстоянието между равнините ще бъде обсъдено по-долу.
Феномен на дифракция
Вече дадохме физическа обосновка за това какво представлява дифракцията на рентгеновите лъчи върху пространствената решетка на кристалите. Все още обаче не сме обяснили същносттадифракционни явления. И така, дифракцията е закръгляне на препятствия от вълни (включително електромагнитни). Това явление изглежда е нарушение на закона на линейната оптика, но не е така. Тя е тясно свързана със свойствата на интерференцията и вълните, например, на фотоните. Ако има препятствие по пътя на светлината, тогава поради дифракция фотоните могат да „погледнат“зад ъгъла. Колко далече се движи посоката на светлината от права линия зависи от размера на препятствието. Колкото по-малко е препятствието, толкова по-къса трябва да бъде дължината на електромагнитната вълна. Ето защо дифракцията на рентгенови лъчи върху монокристали се извършва с помощта на такива къси вълни: разстоянието между равнините е много малко, оптичните фотони просто няма да „пълзят“между тях, а само ще се отразяват от повърхността.
Такова концепция е вярна, но в съвременната наука се смята за твърде тясна. За да разширим нейната дефиниция, както и за обща ерудиция, представяме методи за проявление на дифракция на вълните.
- Промяна на пространствената структура на вълните. Например, разширяването на ъгъла на разпространение на вълновия лъч, отклонението на вълна или поредица от вълни в някаква предпочитана посока. Към този клас явления принадлежат вълните, които се огъват около препятствията.
- Разлагане на вълни в спектър.
- Промяна в поляризацията на вълната.
- Трансформация на фазовата структура на вълните.
Феноменът на дифракция, заедно с интерференцията, е отговорен за факта, че когато лъч светлина е насочен към тесен процеп зад него, ние виждаме не един, а няколкосветлинни максимуми. Колкото по-далеч е максимумът от средата на слота, толкова по-висок е неговият ред. Освен това, с правилната настройка на експеримента, сянката от обикновена шевна игла (разбира се, тънка) се разделя на няколко ивици и светлинният максимум се наблюдава точно зад иглата, а не минимумът.
Формула на Вулф-Браг
Вече казахме по-горе, че крайният сигнал е сумата от всички рентгенови фотони, които се отразяват от равнини със същия наклон вътре в кристала. Но една важна връзка ви позволява да изчислите точно структурата. Без него дифракцията на рентгенови лъчи би била безполезна. Формулата на Улф-Браг изглежда така: 2dsinƟ=nλ. Тук d е разстоянието между равнините със същия ъгъл на наклон, θ е ъгълът на поглед (ъгъл на Браг) или ъгълът на падане върху равнината, n е порядъкът на дифракционния максимум, λ е дължината на вълната. Тъй като е известно предварително кой рентгенов спектър се използва за получаване на данни и под какъв ъгъл пада това излъчване, тази формула ни позволява да изчислим стойността на d. Вече казахме малко по-високо, че без тази информация е невъзможно да се получи точно структурата на веществото.
Модерно приложение на рентгенова дифракция
Възниква въпросът: в какви случаи е необходим този анализ, учените не са ли изследвали вече всичко в света на структурата и не предполагат ли хората, когато получават принципно нови вещества, какъв резултат ги очаква ? Има четири отговора.
- Да, опознахме нашата планета доста добре. Но всяка година се откриват нови минерали. Понякога структурата им е равномернапредполагам, че без рентгенови лъчи няма да работи.
- Много учени се опитват да подобрят свойствата на вече съществуващите материали. Тези вещества се подлагат на различни видове обработка (налягане, температура, лазери и др.). Понякога елементите се добавят или премахват от тяхната структура. Рентгеновата дифракция на кристали ще помогне да се разбере какви вътрешни пренареждания са настъпили в този случай.
- За някои приложения (напр. активни медии, лазери, карти с памет, оптични елементи на системи за наблюдение) кристалите трябва да бъдат много прецизно съчетани. Следователно тяхната структура се проверява по този метод.
- Рентгеновата дифракция е единственият начин да разберете колко и кои фази са получени по време на синтеза в многокомпонентни системи. Като пример за такива системи могат да послужат керамични елементи на съвременните технологии. Наличието на нежелани фази може да доведе до сериозни последствия.
Изследване на космоса
Много хора питат: "Защо са ни нужни огромни обсерватории в орбитата на Земята, защо имаме нужда от роувър, ако човечеството все още не е решило проблемите на бедността и войната?"
Всеки има свои собствени причини за и против, но е ясно, че човечеството трябва да има мечта.
Ето защо, гледайки звездите, днес можем да кажем с увереност: всеки ден знаем все повече и повече за тях.
Рентгеновите лъчи от процеси, протичащи в космоса, не достигат повърхността на нашата планета, те се поглъщат от атмосферата. Но тази частЕлектромагнитният спектър носи много данни за високоенергийни явления. Следователно инструментите, които изучават рентгеновите лъчи, трябва да бъдат изведени от Земята в орбита. В момента съществуващите станции изучават следните обекти:
- останки от експлозии на свръхнова;
- центрове на галактики;
- неутронни звезди;
- черни дупки;
- сблъсъци на масивни обекти (галактики, групи от галактики).
Изненадващо, според различни проекти, достъпът до тези станции се предоставя на студенти и дори на ученици. Те изучават рентгенови лъчи, идващи от дълбокия космос: дифракция, интерференция, спектър стават обект на техен интерес. И някои много млади потребители на тези космически обсерватории правят открития. Внимателният читател може, разбира се, да възрази, че просто има време да разгледа снимки с висока разделителна способност и да забележи фини детайли. И разбира се, важността на откритията, като правило, се разбира само от сериозни астрономи. Но такива случаи вдъхновяват младите хора да посветят живота си на изследването на космоса. И тази цел си струва да се преследва.
Така постиженията на Вилхелм Конрад Рентген отвориха достъп до звездно знание и способността за завладяване на други планети.
