Ta članek vsebuje opis take stvari, kot je difrakcija rentgenskih žarkov. Tukaj je razložena fizična osnova tega pojava in njegove uporabe.
Tehnologije za ustvarjanje novih materialov
Inovacija, nanotehnologija je trend sodobnega sveta. Novice so polne poročil o novih revolucionarnih materialih. Toda malo ljudi razmišlja o tem, kakšen ogromen raziskovalni aparat potrebujejo znanstveniki, da ustvarijo vsaj majhno izboljšavo obstoječih tehnologij. Eden od temeljnih pojavov, ki ljudem pri tem pomagajo, je difrakcija rentgenskih žarkov.
elektromagnetno sevanje
Najprej morate razložiti, kaj je elektromagnetno sevanje. Vsako premikajoče se nabito telo ustvarja okoli sebe elektromagnetno polje. Ta polja prežemajo vse naokoli, tudi vakuum globokega vesolja ni brez njih. Če v takem polju obstajajo periodične motnje, ki se lahko širijo v vesolju, se imenujejo elektromagnetno sevanje. Za opis se uporabljajo koncepti, kot so valovna dolžina, frekvenca in njena energija. Kar je energija, je intuitivno, valovna dolžina pa je razdalja med njimienake faze (na primer med dvema sosednjima maksimumoma). Večja kot je valovna dolžina (in s tem tudi frekvenca), manjša je njegova energija. Spomnimo se, da so ti koncepti potrebni za jedrnat in jedrnat opis rentgenske difrakcije.
elektromagnetni spekter
Vse vrste elektromagnetnih žarkov se prilegajo posebnemu merilu. Glede na valovno dolžino razlikujejo (od najdaljše do najkrajše):
- radijski valovi;
- terahertz valovi;
- infrardeči valovi;
- vidni valovi;
- ultravijolični valovi;
- rentgenski valovi;
- gama sevanje.
Tako ima sevanje, ki nas zanima, zelo kratko valovno dolžino in najvišje energije (zato ga včasih imenujemo trdo). Zato smo vse bližje opisu, kaj je difrakcija rentgenskih žarkov.
Izvor rentgenskih žarkov
Višja kot je energija sevanja, težje jo je pridobiti umetno. Ko zažge ogenj, oseba prejme veliko infrardečega sevanja, saj ravno to prenaša toploto. A da bi prišlo do difrakcije rentgenskih žarkov s prostorskimi strukturami, je treba vložiti veliko truda. Torej se tovrstno elektromagnetno sevanje sprosti, ko elektron izbije iz lupine atoma, ki je blizu jedra. Elektroni, ki se nahajajo zgoraj, ponavadi zapolnijo nastalo luknjo, svoje prehode in dajo rentgenske fotone. Tudi med ostrim pojemkom nabitih delcev z maso (npr.elektronov), se proizvajajo ti visokoenergetski žarki. Tako difrakcijo rentgenskih žarkov na kristalni rešetki spremlja poraba precej velike količine energije.
V industrijskem obsegu se to sevanje dobi na naslednji način:
- Katoda oddaja visokoenergijski elektron.
- Elektron trči v material anode.
- Elektron močno upočasni (med tem, ko oddaja rentgenske žarke).
- V drugem primeru upočasnjevalni delec iz anodnega materiala izbije elektron iz nizke orbite atoma, ki prav tako ustvarja rentgenske žarke.
Razumeti je treba tudi, da imajo rentgenski žarki, tako kot vsako drugo elektromagnetno sevanje, svoj spekter. To sevanje se zelo pogosto uporablja. Vsi vedo, da z rentgenskimi žarki iščejo zlomljeno kost ali maso v pljučih.
Struktura kristalne snovi
Zdaj se približamo temu, kaj je metoda rentgenske difrakcije. Da bi to naredili, je treba razložiti, kako je urejeno trdno telo. V znanosti se trdno telo imenuje vsaka snov v kristalnem stanju. Les, glina ali steklo so trdni, vendar jim manjka glavna stvar: periodična struktura. Toda kristali imajo to neverjetno lastnost. Že samo ime tega pojava vsebuje njegovo bistvo. Najprej morate razumeti, da so atomi v kristalu togo pritrjeni. Vezi med njimi imajo določeno stopnjo elastičnosti, vendar so premočne, da bi se atomi lahko premikali v notranjosti.rešetke. Takšne epizode so možne, vendar z zelo močnim zunanjim vplivom. Na primer, če je kovinski kristal upognjen, se v njem tvorijo točkovne napake različnih vrst: na nekaterih mestih atom zapusti svoje mesto in tvori prosto mesto, na drugih se premakne v napačne položaje in tvori intersticijsko napako. Na mestu upogiba kristal izgubi svojo vitko kristalno strukturo, postane zelo pokvarjen, ohlapen. Zato je bolje, da ne uporabljate enkrat upognjene sponke za papir, ker je kovina izgubila svoje lastnosti.
Če so atomi trdno pritrjeni, jih ni več mogoče naključno razporediti drug glede na drugega, kot v tekočinah. Morajo se organizirati tako, da zmanjšajo energijo svoje interakcije. Tako se atomi razvrstijo v mrežo. V vsaki rešetki je minimalen nabor atomov, razporejenih na poseben način v prostoru - to je elementarna celica kristala. Če ga oddamo v celoti, torej združimo robove med seboj in se premaknemo v katero koli smer, bomo dobili celoten kristal. Vendar se je vredno spomniti, da je to model. Vsak pravi kristal ima napake in skoraj je nemogoče doseči popolnoma natančen prevod. Sodobne silikonske pomnilniške celice so blizu idealnih kristalov. Vendar njihovo pridobivanje zahteva neverjetne količine energije in drugih virov. Znanstveniki v laboratoriju pridobijo popolne strukture različnih vrst, vendar so stroški njihove izdelave praviloma previsoki. Toda domnevali bomo, da so vsi kristali idealni: v katerem kolismer, bodo isti atomi locirani na enaki razdalji drug od drugega. Ta struktura se imenuje kristalna mreža.
Študija kristalne strukture
Zaradi tega dejstva je možna difrakcija rentgenskih žarkov na kristalih. Periodična struktura kristalov ustvarja v njih določene ravnine, v katerih je več atomov kot v drugih smereh. Včasih so te ravnine določene s simetrijo kristalne mreže, včasih z medsebojno razporeditvijo atomov. Vsaki ravnini je dodeljena lastna oznaka. Razdalje med ravninama so zelo majhne: reda več angstromov (spomnimo se, angstrom je 10-10 meter ali 0,1 nanometer).
Vendar pa je v vsakem resničnem kristalu, tudi zelo majhnem, veliko ravnin iste smeri. Rentgenska difrakcija kot metoda izkorišča to dejstvo: vsi valovi, ki so spremenili smer na ravninah iste smeri, se seštejejo, kar daje dokaj jasen signal na izhodu. Tako lahko znanstveniki razumejo, v katerih smereh se te ravnine nahajajo znotraj kristala, in presodijo notranjo strukturo kristalne strukture. Vendar ti podatki sami po sebi niso dovolj. Poleg kota naklona morate poznati tudi razdaljo med ravninama. Brez tega lahko dobite na tisoče različnih modelov strukture, vendar ne poznate natančnega odgovora. Kako znanstveniki spoznajo razdaljo med letali, bomo razpravljali spodaj.
Fenomen difrakcije
Podali smo že fizično utemeljitev, kaj je difrakcija rentgenskih žarkov na prostorski mreži kristalov. Vendar bistva še nismo razložilidifrakcijskih pojavov. Torej, difrakcija je zaokroževanje ovir z valovi (vključno z elektromagnetnimi). Zdi se, da je ta pojav kršitev zakona linearne optike, vendar ni. Tesno je povezan z interferenčnimi in valovnimi lastnostmi na primer fotonov. Če je na poti svetlobe ovira, potem lahko fotoni zaradi difrakcije "pogledajo" za vogalom. Kako daleč potuje smer svetlobe od premice, je odvisno od velikosti ovire. Manjša kot je ovira, krajša mora biti dolžina elektromagnetnega valovanja. Zato se difrakcija rentgenskih žarkov na monokristalih izvaja s tako kratkimi valovi: razdalja med ravninama je zelo majhna, optični fotoni preprosto ne bodo "plazili" med njimi, ampak se bodo le odbijali od površine.
Tak koncept je resničen, vendar v sodobni znanosti velja za preozko. Za razširitev njene definicije, pa tudi za splošno izučenost, predstavljamo metode za manifestacijo valovne difrakcije.
- Spreminjanje prostorske strukture valov. Na primer, razširitev kota širjenja valovnega žarka, odklon valovanja ali niza valov v neko prednostno smer. V ta razred pojavov sodi tudi upogibanje valov okoli ovir.
- Razgradnja valov v spekter.
- Sprememba polarizacije valov.
- Transformacija fazne strukture valov.
Fenomen difrakcije je skupaj z interferenco odgovoren za to, da ko je žarek svetlobe usmerjen v ozko režo za njim, ne vidimo enega, ampak večsvetlobni maksimumi. Dlje kot je maksimum od sredine reže, višji je njegov vrstni red. Poleg tega se s pravilno nastavitvijo poskusa senca navadne šivalne igle (seveda tanke) razdeli na več trakov, svetlobni maksimum pa je opazen točno za iglo in ne minimum.
Wulf-Braggova formula
Zgoraj smo že rekli, da je končni signal vsota vseh rentgenskih fotonov, ki se odbijajo od ravnin z enakim naklonom znotraj kristala. Toda ena pomembna povezava vam omogoča natančen izračun strukture. Brez tega bi bila difrakcija rentgenskih žarkov neuporabna. Wulf-Braggova formula izgleda takole: 2dsinƟ=nλ. Tukaj je d razdalja med ravninami z enakim naklonskim kotom, θ je kot gleženja (Braggov kot) ali vpadni kot na ravnino, n je vrstni red difrakcijskega maksimuma, λ valovna dolžina. Ker je vnaprej znano, kateri rentgenski spekter se uporablja za pridobivanje podatkov in pod kakšnim kotom to sevanje pade, nam ta formula omogoča izračun vrednosti d. Nekoliko višje smo že povedali, da brez teh informacij ni mogoče natančno pridobiti strukture snovi.
Sodobna uporaba rentgenske difrakcije
Postavlja se vprašanje: v katerih primerih je ta analiza potrebna, ali niso znanstveniki že raziskali vsega v svetu strukture in ali ljudje pri pridobivanju bistveno novih snovi ne domnevajo, kakšen rezultat jih čaka ? Obstajajo štirje odgovori.
- Da, naš planet smo precej dobro spoznali. Toda vsako leto najdemo nove minerale. Včasih je njihova struktura enakomernaugibaj brez rentgenskih žarkov ne bo delovalo.
- Številni znanstveniki poskušajo izboljšati lastnosti že obstoječih materialov. Te snovi so podvržene različnim vrstam obdelave (tlak, temperatura, laserji itd.). Včasih se elementi dodajo ali odstranijo iz njihove strukture. Rentgenska difrakcija na kristalih bo pomagala razumeti, do kakšnih notranjih preureditev je prišlo v tem primeru.
- Za nekatere aplikacije (npr. aktivni mediji, laserji, pomnilniške kartice, optični elementi nadzornih sistemov) morajo biti kristali zelo natančno usklajeni. Zato se njihova struktura preverja s to metodo.
- Rentgenska difrakcija je edini način, da ugotovimo, koliko in katere faze je bilo pridobljenih med sintezo v večkomponentnih sistemih. Keramični elementi sodobne tehnologije so lahko primer takšnih sistemov. Prisotnost neželenih faz lahko povzroči resne posledice.
raziskovanje vesolja
Mnogi se sprašujejo: "Zakaj potrebujemo ogromne observatorije v Zemljini orbiti, zakaj potrebujemo rover, če človeštvo še ni rešilo problemov revščine in vojne?"
Vsak ima svoje razloge za in proti, vendar je jasno, da mora človeštvo imeti sanje.
Zato lahko danes ob pogledu na zvezde z zaupanjem rečemo: vsak dan vemo več o njih.
Rentgenski žarki procesov, ki se dogajajo v vesolju, ne dosežejo površine našega planeta, absorbira jih atmosfera. Ampak ta delElektromagnetni spekter nosi veliko podatkov o visokoenergetskih pojavih. Zato je treba instrumente, ki preučujejo rentgenske žarke, vzeti iz Zemlje v orbito. Trenutno obstoječe postaje preučujejo naslednje objekte:
- ostanki eksplozij supernove;
- centri galaksij;
- nevtronske zvezde;
- črne luknje;
- trki masivnih objektov (galaksij, skupin galaksij).
Presenetljivo je, da je po različnih projektih dostop do teh postaj omogočen študentom in celo šolarjem. Proučujejo rentgenske žarke, ki prihajajo iz globokega vesolja: difrakcija, interferenca, spekter postanejo predmet njihovega zanimanja. In nekateri zelo mladi uporabniki teh vesoljskih observatorijev odkrivajo. Natančen bralec lahko seveda ugovarja, da imajo le čas, da si ogledajo slike visoke ločljivosti in opazijo subtilne podrobnosti. In seveda pomen odkritij praviloma razumejo le resni astronomi. Toda takšni primeri navdihujejo mlade, da svoje življenje posvetijo raziskovanju vesolja. In temu cilju je vredno slediti.
Tako so dosežki Wilhelma Conrada Roentgena odprli dostop do zvezdnega znanja in zmožnosti osvajanja drugih planetov.
