Ovaj članak sadrži opis takve stvari kao što je difrakcija X-zraka. Ovdje je objašnjena fizička osnova ovog fenomena i njegove primjene.
Tehnologije za stvaranje novih materijala
Inovacija, nanotehnologija je trend modernog svijeta. Vijesti su pune izvješća o novim revolucionarnim materijalima. Ali malo ljudi razmišlja o tome kakav je ogroman istraživački aparat znanstvenicima potreban da bi stvorili barem malo poboljšanje u postojećim tehnologijama. Jedan od temeljnih fenomena koji ljudima pomažu u tome je difrakcija X zraka.
Elektromagnetno zračenje
Prvo morate objasniti što je elektromagnetsko zračenje. Svako pokretno nabijeno tijelo stvara oko sebe elektromagnetno polje. Ta polja prožimaju sve oko sebe, čak ni vakuum dubokog svemira nije oslobođen od njih. Ako u takvom polju postoje periodične perturbacije koje se mogu širiti u prostoru, one se nazivaju elektromagnetskim zračenjem. Za njegovo opisivanje koriste se pojmovi kao što su valna duljina, frekvencija i njena energija. Ono što je energija je intuitivno, a valna duljina je udaljenost između njihidentične faze (na primjer, između dva susjedna maksimuma). Što je valna duljina (i, sukladno tome, frekvencija) veća, to je njena energija manja. Podsjetimo da su ovi pojmovi nužni za opisivanje što je difrakcija rendgenskih zraka sažeto i sažeto.
Elektromagnetski spektar
Sva raznolikost elektromagnetskih zraka stane na posebnu ljestvicu. Ovisno o valnoj duljini, razlikuju (od najduže do najkraće):
- radio valovi;
- teraherc valovi;
- infracrveni valovi;
- vidljivi valovi;
- ultraljubičasti valovi;
- Rentgenski valovi;
- gama zračenje.
Dakle, zračenje koje nas zanima ima vrlo kratku valnu duljinu i najveće energije (zbog čega se ponekad naziva i tvrdim). Stoga smo sve bliže opisu što je difrakcija rendgenskih zraka.
Porijeklo X-zraka
Što je energija zračenja veća, to ju je teže dobiti umjetno. Nakon što je zapalio vatru, osoba prima puno infracrvenog zračenja, jer ono prenosi toplinu. Ali da bi došlo do difrakcije X-zraka na prostornim strukturama, potrebno je uložiti mnogo truda. Dakle, ova vrsta elektromagnetskog zračenja oslobađa se kada se elektron izbaci iz ljuske atoma, koja je blizu jezgre. Elektroni koji se nalaze iznad nastoje ispuniti nastalu rupu, svoje prijelaze i dati rendgenske fotone. Također, tijekom oštrog usporavanja nabijenih čestica mase (npr.elektrona), proizvode se te visokoenergetske zrake. Dakle, difrakcija X-zraka na kristalnoj rešetki je popraćena utroškom prilično velike količine energije.
U industrijskoj skali, ovo se zračenje dobiva na sljedeći način:
- Katoda emitira elektron visoke energije.
- Elektron se sudara s materijalom anode.
- Elektron naglo usporava (dok emitira X-zrake).
- U drugom slučaju, čestica koja usporava, izbacuje elektron iz niske orbite atoma iz materijala anode, što također stvara X-zrake.
Također je potrebno razumjeti da, kao i svako drugo elektromagnetsko zračenje, X-zrake imaju svoj vlastiti spektar. Samo se ovo zračenje koristi prilično široko. Svi znaju da se uz pomoć rendgenskih zraka traži slomljena kost ili masa u plućima.
Struktura kristalne tvari
Sada se približavamo onome što je metoda difrakcije X-zraka. Da biste to učinili, potrebno je objasniti kako je raspoređeno čvrsto tijelo. U znanosti se čvrstim tijelom naziva svaka tvar u kristalnom stanju. Drvo, glina ili staklo su čvrsti, ali im nedostaje glavna stvar: periodična struktura. Ali kristali imaju ovo nevjerojatno svojstvo. U samom nazivu ovog fenomena sadržana je njegova bit. Prvo morate razumjeti da su atomi u kristalu čvrsto fiksirani. Veze između njih imaju određeni stupanj elastičnosti, ali su prejake da bi se atomi mogli kretati unutra.rešetke. Takve epizode su moguće, ali uz vrlo jak vanjski utjecaj. Na primjer, ako je metalni kristal savijen, u njemu se formiraju točkasti defekti raznih vrsta: na nekim mjestima atom napušta svoje mjesto, stvarajući prazno mjesto, na drugim se pomiče u pogrešne položaje, tvoreći međuprostorni defekt. Na mjestu savijanja kristal gubi svoju vitku kristalnu strukturu, postaje vrlo defektan, labav. Stoga je bolje ne koristiti spajalicu koja je jednom odvijena jer je metal izgubio svojstva.
Ako su atomi čvrsto fiksirani, više se ne mogu nasumično poredati jedan prema drugom, kao u tekućinama. Moraju se organizirati na takav način da minimiziraju energiju svoje interakcije. Dakle, atomi se poredaju u rešetku. U svakoj rešetki postoji minimalni skup atoma raspoređenih na poseban način u prostoru - to je elementarna ćelija kristala. Ako ga emitiramo u cijelosti, odnosno kombiniramo rubove jedni s drugima, pomičući se u bilo kojem smjeru, dobit ćemo cijeli kristal. Međutim, vrijedi zapamtiti da je ovo model. Svaki pravi kristal ima nedostatke i gotovo je nemoguće postići apsolutno točan prijevod. Moderne silikonske memorijske ćelije su bliske idealnim kristalima. Međutim, njihovo dobivanje zahtijeva nevjerojatne količine energije i drugih resursa. U laboratoriju znanstvenici dobivaju savršene strukture raznih vrsta, ali su, u pravilu, troškovi njihove izrade previsoki. Ali pretpostavit ćemo da su svi kristali idealni: u bilo kojemsmjeru, isti atomi će se nalaziti na istoj udaljenosti jedan od drugog. Ova struktura se naziva kristalna rešetka.
Proučavanje kristalne strukture
Zahvaljujući ovoj činjenici da je difrakcija X-zraka na kristalima moguća. Periodična struktura kristala stvara u njima određene ravnine u kojima ima više atoma nego u drugim smjerovima. Ponekad su te ravnine postavljene simetrijom kristalne rešetke, ponekad međusobnim rasporedom atoma. Svakoj ravnini je dodijeljena vlastita oznaka. Udaljenosti između ravnina su vrlo male: reda veličine nekoliko angstroma (podsjetimo, angstrom je 10-10 metar ili 0,1 nanometar).
Međutim, postoji mnogo ravni istog smjera u svakom stvarnom kristalu, čak i u vrlo malom. Difrakcija rendgenskih zraka kao metoda iskorištava ovu činjenicu: svi valovi koji su promijenili smjer na ravninama istog smjera se zbrajaju, dajući prilično jasan signal na izlazu. Tako znanstvenici mogu razumjeti u kojim se smjerovima te ravnine nalaze unutar kristala i prosuditi unutarnju strukturu kristalne strukture. Međutim, sami ovi podaci nisu dovoljni. Osim kuta nagiba, morate znati i udaljenost između ravnina. Bez toga možete dobiti tisuće različitih modela strukture, ali ne znate točan odgovor. Kako znanstvenici saznaju o udaljenosti između aviona bit će razmotreni u nastavku.
Fenomen difrakcije
Već smo dali fizičko opravdanje što je difrakcija rendgenskih zraka na prostornoj rešetki kristala. Međutim, suštinu još nismo objasnilifenomeni difrakcije. Dakle, difrakcija je zaokruživanje prepreka valovima (uključujući i elektromagnetske). Čini se da je ovaj fenomen kršenje zakona linearne optike, ali nije. Usko je povezan s interferencijskim i valnim svojstvima, na primjer, fotona. Ako postoji prepreka na putu svjetlosti, tada zbog difrakcije fotoni mogu "gledati" iza ugla. Koliko smjer svjetlosti putuje od ravne linije ovisi o veličini prepreke. Što je prepreka manja, duljina elektromagnetskog vala bi trebala biti kraća. Zato se difrakcija rendgenskih zraka na pojedinačnim kristalima provodi pomoću tako kratkih valova: udaljenost između ravnina je vrlo mala, optički fotoni jednostavno neće "puzati" između njih, već će se samo reflektirati od površine.
Takav je koncept istinit, ali se u modernoj znanosti smatra preuskim. Za proširenje njegove definicije, kao i za opću erudiciju, predstavljamo metode za očitovanje difrakcije valova.
- Promjena prostorne strukture valova. Na primjer, širenje kuta širenja valnog snopa, otklon vala ili niza valova u nekom željenom smjeru. Ovoj klasi fenomena pripada savijanje valova oko prepreka.
- Razlaganje valova u spektar.
- Promjena polarizacije valova.
- Transformacija fazne strukture valova.
Fenomen difrakcije, zajedno s interferencijom, odgovoran je za činjenicu da kada se snop svjetlosti usmjeri na uski prorez iza njega, vidimo ne jedan, već nekolikosvjetlosni maksimumi. Što je maksimum udaljeniji od sredine utora, to je njegov redoslijed veći. Osim toga, s pravilnom postavkom eksperimenta, sjena obične šivaće igle (naravno, tanke) dijeli se na nekoliko pruga, a svjetlosni maksimum se promatra točno iza igle, a ne minimum.
Wulf-Bragg formula
Već smo rekli gore da je konačni signal zbroj svih fotona X-zraka koji se reflektiraju od ravnina s istim nagibom unutar kristala. Ali jedan važan odnos omogućuje vam da točno izračunate strukturu. Bez toga bi difrakcija rendgenskih zraka bila beskorisna. Wulf-Braggova formula izgleda ovako: 2dsinƟ=nλ. Ovdje je d udaljenost između ravnina s istim kutom nagiba, θ je kut gledanja (Braggov kut) ili upadni kut na ravninu, n je red difrakcijskog maksimuma, λ je valna duljina. Budući da je unaprijed poznato koji se rendgenski spektar koristi za dobivanje podataka i pod kojim kutom to zračenje pada, ova formula nam omogućuje da izračunamo vrijednost d. Već smo malo više rekli da je bez ovih informacija nemoguće točno dobiti strukturu tvari.
Moderna primjena difrakcije rendgenskih zraka
Postavlja se pitanje: u kojim slučajevima je potrebna ova analiza, zar znanstvenici nisu već istražili sve u svijetu strukture, i zar ljudi, pri dobivanju temeljno novih tvari, ne pretpostavljaju kakav ih rezultat čeka ? Postoje četiri odgovora.
- Da, prilično smo dobro upoznali naš planet. Ali svake godine se pronađu novi minerali. Ponekad je njihova struktura ujednačenapretpostavljam da bez x-zraka neće raditi.
- Mnogi znanstvenici pokušavaju poboljšati svojstva već postojećih materijala. Te su tvari podvrgnute raznim vrstama obrade (pritisak, temperatura, laseri itd.). Ponekad se elementi dodaju ili uklanjaju iz njihove strukture. Difrakcija rendgenskih zraka na kristalima pomoći će razumjeti do kakvih je unutarnjih preuređivanja u ovom slučaju došlo.
- Za neke primjene (npr. aktivni mediji, laseri, memorijske kartice, optički elementi nadzornih sustava), kristali moraju biti vrlo precizno usklađeni. Stoga se njihova struktura provjerava ovom metodom.
- Difrakcija rendgenskih zraka jedini je način da se sazna koliko je i koje faze dobiveno tijekom sinteze u višekomponentnim sustavima. Kao primjer takvih sustava mogu poslužiti keramički elementi moderne tehnologije. Prisutnost neželjenih faza može dovesti do ozbiljnih posljedica.
Istraživanje svemira
Mnogi ljudi pitaju: "Zašto su nam potrebne ogromne zvjezdarnice u Zemljinoj orbiti, zašto nam treba rover ako čovječanstvo još nije riješilo probleme siromaštva i rata?"
Svatko ima svoje razloge za i protiv, ali jasno je da čovječanstvo mora imati san.
Stoga, gledajući u zvijezde, danas možemo s povjerenjem reći: svakim danom znamo sve više o njima.
X-zrake iz procesa koji se događaju u svemiru ne dopiru do površine našeg planeta, već ih upija atmosfera. Ali ovaj dioElektromagnetski spektar nosi mnogo podataka o visokoenergetskim pojavama. Stoga se instrumenti koji proučavaju X-zrake moraju iznijeti iz Zemlje, u orbitu. Trenutno postojeće stanice proučavaju sljedeće objekte:
- ostaci eksplozija supernove;
- centri galaksija;
- neutronske zvijezde;
- crne rupe;
- sudari masivnih objekata (galaksije, grupe galaksija).
Začudo, prema raznim projektima, pristup ovim postajama omogućen je studentima, pa čak i školarcima. Proučavaju X-zrake koje dolaze iz dubokog svemira: difrakcija, interferencija, spektar postaju predmet njihova interesa. I neki vrlo mladi korisnici ovih svemirskih zvjezdarnica dolaze do otkrića. Pažljivi čitatelj može, naravno, prigovoriti da samo imaju vremena pogledati slike visoke rezolucije i primijetiti suptilne detalje. I naravno, važnost otkrića, u pravilu, razumiju samo ozbiljni astronomi. Ali takvi slučajevi nadahnjuju mlade ljude da svoje živote posvete istraživanju svemira. I ovaj cilj vrijedi slijediti.
Tako su dostignuća Wilhelma Conrada Roentgena otvorila pristup zvjezdanom znanju i sposobnosti osvajanja drugih planeta.
